DE1276224B - Mit Leichtwasser gekuehlter und moderierter heterogener Atomkernreaktor, dessen Kerneinen Querschnitt in Form eines regulaeren Sechsecks aufweist - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

G21c

Deutsche KL: 21g-21/20

Nummer: 1276 224

Aktenzeichen: P 12 76 224.2-33 (U10346)

Anmeldetag: 17. Dezember 1963

Auslegetag: 29. August 1968

Die Erfindung bezieht sich auf einen mit Leichtwasser gekühlten und moderierten Atomkernreakior, dessen Kern einen Querschnitt in Form eines regulären Sechsecks und eine Vielzahl von Brennstoffelementen mit rautenförmigem Querschnitt aufweist, die in mehreren konzentrischen hexagonalen Ringen angeordnet sind und von denen jedes Brennelement mehrere parallele Spaltstoffplatten aufweist, die so angeordnet sind, daß die Spaltstoffplatten der meisten Brennstoffelemente parallel zum Umfang des Kerns verlaufen.

Atomkernreaktoren mit der Querschnittsform eines Rings sind bekannt (Siemens-Zeitschrift, Dezember 1959, H. 12, S. 749) desgleichen Querschnitte in der Form eines hexagonalen Rings, »Proceedings of the Second United Nations International Conference on the peaceful Uses of Atomic Energy«, 1958, Bd. 10, S. 28 und »Nucleonics«, November 1956, S. 141.

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, Brennstoffelemente mit rautenförmigem Querschnitt auszubilden. Bericht der Westinghouse Atomic Power Divison Nr WAPD-ReI (W)-50 »Investigation of a Seeded PWR« vom 20.1.1955. Dieser Bericht wurde mit Streichungen am 11. 3. 1957 freigegeben (siehe diesbezüglich »Nuclear Science Abstracts«, Vol. 12, Nr. 1114).

Es besteht eine große Nachfrage nach Experimentierräumen in Kernreaktoren mit sehr großem Neutronenfluß, da eine maximale Beeinflussung des bestrahlten Materials in solchen Reaktoren in relativ kurzer Zeit erhalten werden kann. Die Nachfrage nach höheren transuranischen Elementen für Versuchszwecke kann ebenfalls nur befriedigt werden, indem diese Elemente in solchen Reaktoren mit großem Neutronenfluß erzeugt werden.

Es hat sich gezeigt, daß ein maximaler thermischer Neutronenfluß in einem Kernreaktor erhalten werden kann, der als »flux trap« bekannt ist. Eine »flux trap« ist also ein Moderatorvolumen, das von einem Mantel aus spaltbarem Material umgeben ist. Die Theorie der »flux trap« wird von W. K. Er gen in dem Vortrag Nr. 628 anläßlich der Second International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy 1958 abgehandelt. Dieser Bericht wird in Band 10 der »Proceedings of the Second International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, S. 181 bis 184 wiedergegeben. Dementsprechend bezieht sich die Erfindung insbesondere auf einen heterogenen, leichtwassergekühlten und leichtwassermoderierten, mit einem Berylliumreflektor ausgerüsteten Kernreaktor, in dem sich eine »flux trap« befindet, um einen sehr großen thermischen Neutronenfluß zu erhalten.

Mit Leichtwasser gekühlter und moderierter
heterogener Atomkernreaktor, dessen Kern einen Querschnitt in Form eines regulären Sechsecks
aufweist

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,

Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz und Dr. D. Morf,

Patentanwälte,

8000 München 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:

Lester Goldstein, Monsey, N. Y.;

Leon Joseph, White Plains, N. Y.;

Morton Stanley Silberstein, Briarcliff, N. Y.;

Albert Aaron Weinstein, Bronx, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 26. Dezember 1962
(247418)

Es wird eine zentrale »flux trap« mit kreisförmigem Querschnitt bevorzugt, da diese dazu neigt, die Energiespitzen längs des Umfangs der Grenzschicht zu vermeiden. Große Unterschiede der örtlichen Energieerzeugung treten auf, wenn die Grenzschicht zwischen dem Spaltstoff und der »flux trap« scharfe Ecken aufweist, wie bei einer »flux trap« mit rechteckigen Abmessungen. Es wurden zwar Spaltstoffelemente konstruiert, die sich einer kreisförmigen Geometrie anpassen, diese sind aber in der Herstellung teuer, und ihr Wirkungsgrad ist bekannterweise nicht so groß, wie der üblicher plattenförmiger Brennstoffelemente, die in Kastenform angeordnet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Verwendung plattenförmiger Brennstoffelemente einen Kernreaktor zu schaffen, in dem die Spitzen der Wärmeerzeugung nahe den Reaktorkerngrenzschichten verringert sind.

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Zu diesem Zweck ist bereits bekanntgeworden (Proceedings of the International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy, Vol. 5, 1956, S. 355), den Spaltstoffgehalt im zentralen Bereich des Reaktorkerns gegenüber den Randabschnitten zu verringern, wobei die Spaltstoffkonzentration in mehreren Stufen vom zentralen Bereich bis zum Randbereich erhöht wird.

Bei Verwendung einer Anzahl nebeneinanderliegender, jeweils aus einer Mehrzahl von Einzelstäben bestehender kreisförmiger Brennstoffelemente wurde eine Verringerung des Spaltstoffgehalts im zentralen Bereich des Reaktorkerns ferner bereits dadurch erzielt, daß die Spaltstoffkonzentration im Brennstoffelement von innen nach außen abnahm (Nuclear Science and Engineering 6, 1959, S. 429). Bei dieser Anordnung wird jedoch in Kauf genommen, daß Stellen niedriger Spaltstoffkonzentration nicht nur im zentralen Bereich des Reaktors vorhanden sind, sondern ebenfalls an allen Stellen, wo die Brennstoffelemente jeweils einander benachbart liegen.

Die gestellte Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Reaktor dadurch gelöst, daß sich erfindungsgemäß im Zentrum des Kerns in an sich bekannter Weise ein sechseckiges Loch befindet und daß der Spaltstoffgehalt der Spaltstoffplatten stufenweise von dem inneren und dem äußeren Umfang des Kernes nach der Mitte der Ringzone des Kerns hin zunimmt.

Dabei besteht in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Spaltstoff aus einer Dispersion von UO₂ in korrosionsbeständigem Stahl, wie dies aus dem Buch von D. H. Gurinsky und G. J. Diener, »Nuclear Fuels«, der Reihe »The Geneva Series on The Peaceful Uses of Atomic Energy«, 1956, S. 250, Tabelle II und S. 251, Abs. 4, an sich bekannt ist.

Durch die Atomkernreaktorausbildung gemäß der Erfindung wird dieser Nachteil vermieden, wobei eine mimmale Verringerung der Spaltstoffkonzentration jeweils nur an den beiden Reaktorkerngrenzschichten, an denen Ecken auftreten, vorhanden ist.

Die Erfindung wird an Hand der Figuren näher ererläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Kernreaktor gemäß der Erfindung,

F i g. 2 einen Horizontalschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1,

F i g. 3 in einem Teilschnitt eine in dem Reaktor verwendete Dichtung,

F i g. 4 einen Horizontalschnitt längs der Linie 4-4 in Fig. 1,

Fig. 5 einen Vertikalschnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 4,

F i g. 6 einen horizontalen Teilschnitt, gesehen in Richtung der Pfeile 6-6 in F i g. 5,

F i g. 7 einen Teilschnitt längs der Linie 7-7 in Fig. 5,

Fig. 8 einen Vertikalschnitt durch den Reaktorkern längs der Linie 8-8 in F i g. 9,

Fig. 9 einen horizontalen Schnitt längs der Linie 9-9 in Fig. 8,

F i g. 10 eine Skizze, aus der die Anordnung der Spaltstoffplatten in dem Reaktorkern ersichtlich ist,

Fig. 11 eine Ansicht eines Spaltstoffelements für einen Kernreaktor gemäß der Erfindung,

Fig. 12 einen Horizontalschnitt längs der Linie 12-12 in Fig. 11,

Fig. 13 einen Horizontalschnitt längs der Linie 13-13 in Fig. 11,

Fig. 14 einen Horizontalschnitt längs der Linie 14-14 in Fig. H₅

Fig. 15 die perspektivische Ansicht eines Sicherheitsstabes und

Fig. 16 die perspektivische Ansicht eines Regelstabes.

Der in Fig. 1 dargestellte Reaktor weist einen Druckbehälter 20 aus korrosionsbeständigem Stahl auf. Dieser Behälter weist einen runden Mittelteil 21 mit einem Durchmesser von 2,44 m, einen oberen zylindrischen Teil 22 mit einem Durchmesser von 1,32 m, einen unteren zylindrischen Teil 23 mit einem Durchmesser von 0,91 m, einen Deckel 24 und einen Boden 25 auf. Der Druckbehälter 20 ist in seinem Mittelabschnitt kugelförmig ausgebildet, so daß ein Reflektorabschirmbereich aus Wasser rund um den Kern entsteht, der zur Verringerung der inneren Erhitzung des Kessels dient.

Der Reaktor ist in ein Wasserbecken 26 eingetaucht, das sich in einem Behälter 27 befindet, welches in einer massiven Abschirmung 28 angeordnet ist. Dieses Wasser dient als biologische Abschirmung über dem Reaktor. Der untere zylindrische Teil 23 erstreckt sich in eine öffnung 29 in dem Boden des Reaktorabteils 27 hinein. Diese Öffnung kommuniziert mit einem Raum 30, in dem sich der Antrieb für die Regelvorrichtung befindet. Der kugelförmige Abschnitt 21 ist von einer thermischen Abschirmung 31 umgeben. Der Druckkessel 20 ist längs der Mittellinie des runden Teils 21 auf Laschen 32 gehaltert, die auf der Wärmeabschirmung 31 aufliegen.

Ein Abschirmungsstopfen 33, der mit dem Druckkessel 20 über einen zylindrischen Balg 34 verbunden ist, ist in der Öffnung 29 angeordnet und schirmt den Reaktor nach unten ab. Dieser Stopfen kann mittels Spindeln 35 herabgelassen werden, so daß der Boden 25 zugänglich wird.

Es ist außerdem ein einziges Kühlmitteleinlaßrohr 36 vorgesehen, das in den oberen zylindrischen Teil 22 des Druckkessels 20 einmündet. Zwei Kühlmittelauslaßrohre 37 führen von dem unteren zylindrischen Teil 23 weg. Es sind ebenfalls mehrere horizontale Bestrahlungsrohre 38, die durch Abschirmungen 38^4 geschützt sind, vertikale Proberöhrchen 39 und Rohrpostbüchsen 40 vorgesehen.

Der Kern 41 des Reaktors ist in der Mitte des sphärischen Teils 21 des Druckkessels 20 angeordnet und in radialer Richtung von dem Reflektor 42 umgeben. Eine hexagonale Reflektorhülle oder Ummantelung 43 (s. ebenfalls Fig. 2) umgibt den Reflektor 42 und erstreckt sich von einer Stelle oben an dem sphärischen Teil 21 bis zu einer Stelle unten an diesem Teil. Ganz unten ist die Reflektorumhüllung 43 mit einem Flansch 44 verschraubt, der an den zylindrischen Schurz 45 angeschweißt ist, welcher seinerseits mit dem Druckkessel unten an dem sphärischen Teil 21 verschweißt ist.

Eine Führungsplatte 46 für die Regeleinrichtung, durch die sich die Antriebswellen 47 für die Regelstäbe erstrecken, ist ebenfalls mit dem Schurz 45 verschraubt. Der Kern 41 und der Reflektor 42 werden von ringförmigen oberen und unteren Trägerplatten 48 und 49 getragen und zentriert, die an die Reflektorumhüllung 43 angeschweißt sind.

Der Kern 41 ist von dem Reflektor 42 durch eine hexagonale Kernumhüllung 50 getrennt, die unten mit der Reflektorumhüllung 43 durch einen Ring 51 verbunden ist und sich über den Kern hinaus er-

streckt. Arme 52, die die Kernhülle niederdrücken und die verschwenkt werden können, um eine Auswechslung des Kerns zu ermöglichen, sind oben an der Kernumhüllung 50 befestigt.

Die Reflektorhülle 43 dient als Kanal für das zu dem Kern und dem Reflektor strömende Wasser. Eine Dichtung 53 (s. F i g. 3), die einen zylindrischen Flansch 54 aufweist, der mit einer Rille versehen ist, um zwei Kolbensprengringe 55 und einen Expander

56 aufzunehmen, ist für einen kleinen Durchfluß von Kühlwasser zwischen der Reflektorhülle 43 und dem Druckkessel 20 in den sphärischen Teil 21 des Druckkessels hinein vorgesehen. Dieses Kühlwasser umgibt den Reflektormantel 43, um eine Reflektorabschirmung aus Wasser zu bilden. Wasser strömt ebenfalls in diesem Bereich der Reflektorabschirmung durch eine Reihe von kleinen Löchern (nicht dargestellt), die in den Reflektormantel 43 unmittelbar unterhalb der Dichtung 53 gebohrt sind. Dieser Wasserstrom tritt durch kleine Löcher (nicht dargestellt) in dem Trägerschurz 45 aus.

In F i g. 2 ist der Kern 41 zu sehen, dessen Querschnitt ein reguläres Sechseck mit einer ebenfalls sechseckigen Mittelöffnung bildet. Diese Mittelöffnung bildet eine innere thermische Säule oder Flußfalle (flux trap) 57. Der Kern 41 weist einen Durchmesser von Seitenfläche zu Seitenfläche von 45,72 cm, eine aktive Höhe von ebenfalls 45,72 cm auf und die Flußfalle 57 weist von Fläche zu Fläche einen Durchmesser von 10,16 cm auf. Der Kern 41 wird von dem Reflektor 42 umgeben, der ebenfalls die Form eines regulären Sechsecks aufweist. Der Kern 41 wird aus 45 Brennstoffstäben 58 gebildet, deren Querschnitte rautenförmig sind. Diese Brennstoffelemente sind in drei konzentrischen hexagonalen Ringen rund um die thermische Säule 57 angeordnet. Sechs flache plattenförmige Regelelemente 59 umgeben die Peripherie des Kerns 41 und sind so angeordnet, daß sie in vertikaler Richtung verschoben werden können. Drei flache plattenförmige Regelelemente 60 sind in Radialebenen des Kerns angeordnet. Diese Regelelemente erstrecken sich zwischen dem Reflektormantel 43 und dem Kernmantel 50. Außerdem sind drei versetzt angeordnete plattenförmige Regelelemente 60 angeordnet, von denen je eines zu einem der in den Radialebenen des Kerns verlaufenden Regelelementen parallel verläuft.

Diese Anordnung von Brennstoffelementen und Regelelementen in dem Kern wird nachfolgend ausführlicher beschrieben. Der Kernreaktor weist einen Kern 41 auf, dessen Querschnitt die Form eines regulären Sechseckes aufweist. In der Mitte befindet sich eine Flußfalle 57, die gleichfalls einen sechseckigen Querschnitt aufweist. Das Sechseck kann aus drei unvollständigen Rauten mit Winkeln von 60 und 120° zusammengesetzt gedacht werden. Die Unvollständigkeit resultiert aus dem Fehlen der jeweils 120° bildenden Ecken in der Mitte, wo die Öffnung

57 sich in dem Sechseck befindet. Der Kern wird aus 45 parallelen, plattenförmigen Spaltstoffelementen 58 gebildet, die in drei Gruppen von je 15 Elementen angeordnet sind. Jede Gruppe bildet einen gedachten unvollständigen Rhombus mit rautenförmigem Querschnitt. In jedem Rhombus sind vier Spaltstoffelemente längs den äußeren Seiten und drei Spaltstoffelemente längs den inneren an die anderen Rhomboeder angrenzenden Seiten angeordnet. Es sind sechs plattenförmige Regelelemente 60 vorgesehen, von denen drei zwischen den gedachten unvollständigen Rhomboedern in den angrenzenden Flächen derselben liegen, so daß sie sich von einer Ecke des Sechsecks zu einer Ecke des hexagonalen Loches in dem Sechseck erstrecken, und von denen drei innerhalb der unvollständigen Rhomboeder angeordnet sind. Die innerhalb jedes der Rhomboeder angeordneten Regelelemente sind parallel in der Mitte zwischen einer Innen- und einer Außenfläche

ίο des entsprechenden Rhomboeders angeordnet.

In den F i g. 8 und 9 der Zeichnung ist zu sehen, daß die Brennstoff elemente 58 an Muttern 61 von dem oberen Rost 62 herunterhängen und in einem unteren Rost oder einer unteren Gitterplatte 63 gehalten sind. Der obere Rost 62 ist durch Stifte 65 mit dem Kerntragring 64 verbunden, der auf der oberen Trägerplatte 48 aufliegt. Tragstifte 66 sind vorgesehen, so daß der ganze Kern ausgewechselt werden kann.

Die in Fig. 15 dargestellten Sicherheits- und Regelelemente 59 sind 22,86 cm breit und enthalten einen oberen Neutronenfängerabschnitt 67 aus Hafnium, der 5,1 mm stark ist, und einen unteren Führungsabschnitt 68 aus einer Zirkonlegierung, der ebenfalls 5,1 mm stark ist. Die Sicherheitselemente 59 sind mit einem Mittelschlitz 69 in dem Neutronenfängerabschnitt 67 versehen, um die Stifte 65 aufzunehmen. Die Sicherheitselemente 59 sind ebenfalls mit einem Paar von Griffen 70 an ihrer Oberseite ausgerüstet.

Die Regelelemente 60 sind in Fig. 16 dargestellt. Diese Regelelemente sind 16,51 cm breit und enthalten ebenfalls einen oberen Neutronenfängerabschnitt 71 aus Hafnium mit einer Stärke von 5,1 mm und einem unteren Führungsabschnitt 72 aus einer Zirkonlegierung, der ebenfalls 5,1 mm stark ist. Jeder Regelstab oder jede Regelplatte 60 ist mit einem Griff 73 an ihrem oberen Ende versehen.

Wie in den F i g. 8 und 9 dargestellt, dient der Kernmantel 50 als Außenhülle für die Sicherheitselemente 59. Der Kernmantel 50 enthält Schlitze 74 A, um die Antriebswellen 47 aufzunehmen. Ein innerer Mantel 75 erstreckt sich von dem oberen Rost 62 und dem unteren Rost 63 zu dem oberen und unteren Rand des Kernmantels 50.

In gleicher Weise sind Umhüllungen 76 für die Regelelemente vorgesehen, um diese Regelelemente davor zu schützen, daß sie durch den Hauptkühlmittelstrom in Schwingungen versetzt werden. Diese Ummantelungen 76 erstrecken sich von dem oberen Rost 62 nach oben und von dem unteren Rost 63 nach unten zu den Rändern des Kernmantels. Die Ummantelungen 76 für die in den Radialebenen angeordneten Regelelemente 60 verbinden die inneren Hüllen 75 der Regelelemente mit einer hexagonalen Auskleidung 77 der inneren thermischen Säule 57. Die Hüllen 76 für die versetzt angeordneten Regelelemente 60 sind mit der Auskleidung 77 über Flügel 78 verbunden. Der Kernmantel 50 und die Hüllen 75 und 76 der Regelelemente weisen alle Schlitze 74 auf, um die Zapfen 70 aufzunehmen.

Als Ergänzung zu der Regeleinrichtung, die die Steuerelemente 59 und 60 aufweist, ist eine Hilfssicherheitsvorrichtung vorgesehen, die aus einem Verteiler 79 zum Injizieren von Bor (s. Fig. 1) mit vier Injektionsdüsen 80 besteht. Damit kann ein Neutronenfängermaterial in den Reaktor injiziert werden, wenn ein Katastrophenfall eintritt.

In den Fig. 11 bis 14 sind die Kernbrennstoffelemente 58 dargestellt. Jedes Brennstoffelement 58 weist 27 von im Abstand voneinander und parallel zueinander angeordnete Spaltstoffplatten 81 auf, die an ihren Kanten mit schwalbenschwanzförmigen Befestigungskeilen 82 und Endpaßteilen 83 zusammengehalten werden, um einen Körper mit etwa rautenförmigem Querschnitt zu bilden. Die Spaltstoffelemente sind 5,9817 cm breit und weisen eine schräge Höhe von 6,2179 cm auf. Auf diese Weise ist der Querschnitt der Brennstoffelemente nahezu, jedoch nicht ganz rautenförmig. Die Aussparung von Raum für die Regelelemente 60 unter gleichzeitiger Beibehaltung gleich großer Spaltstoffelemente bedingt die Abweichung von einer genau rhombischen Form. Jedes der Endpaßteile 83 weist einen hohlen zylindrischen Teil 84 auf. Diese zylindrischen Teile erstrecken sich in den oberen Rost 62 bzw. den unteren Rost 63. Jedes Paßteil 83 weist weiter ein Paar von Die inneren 7,62 cm des Reflektors, die einen inneren Reflektorbereich 90 bilden, befinden sich in einer Zone mit großer Neutronenflußdichte und großer Wärmeerzeugung. Da das Beryllium in diesem Bereich beschädigungsanfällig ist, sind die einzelnen Teile so ausgebildet, daß sie leicht ersetzt werden können. Dieser Bereich besteht aus einer Reihe von Berylliumstück 91 mit rautenförmigen Querschnitten, die das Muster der Spaltstoffelemente in dem

ίο Kern fortsetzen. Diese Reflektorstücke werden von zentralen Bohrungen 92 durchdrungen, die mit auswechselbaren Berylliumstopfen 93 gefüllt sind. Löcher 94 für Kühlwasser sind ebenfalls vorgesehen. Die Stücke 91 mit den rautenförmigen Querschnitten werden unten auf der Tragplatte 49 über zylindrische Stützrohre 95 abgestützt und oben durch Zapfen 96 gehalten, die mit Bajonettverschlüssen 97 befestigt sind. Diese Anordnung erleichtert das Entfernen und das Auswechseln dieser inneren Berylliumteile, wenn

und 0,08 Atomprozent Samarium als abbrennbaren Neutronenfänger. Eine Hülle aus korrosionsbeständigem Stahl (nicht dargestellt) ist mit beiden Seiten der den Spaltstoff enthaltenden Matrix fest verbunden. Die Abmessungen einer Spaltstoffplatte sind folgende:

Verbindungsteilen 85 auf, von denen jeder zwei Hai- 20 während einer Zeitdauer von Jahren eine Strahier 86 aufweist, die mit dem zylindrischen Teil 84 lenbeschädigung des Reflektors beobachtet wird, und einem Verbindungsstück 87 verbunden sind, und Darüber hinaus ermöglicht die Form dieser zwei kurze Seitenplatten 88, die die Spaltstoffplatten auswechselbaren Teile im Bedarfsfall, das Beryl-81 aufnehmen können. Der obere Endpaßteil 83 lium durch genormte Spaltstoffelemente zu erweist ein Außengewinde 89 auf dem zylindrischen 25 setzen.

Teil 84 auf, auf den die Mutter 61 aufgeschraubt Die äußeren 22,86 cm des Reflektors bilden den

wird. äußeren Reflektorbereich 98. Dieser Bereich wird von

Die Spaltstoffplatten 81 enthalten eine gleichför- Löchern für die Bestrahlungsrohre 38, die senkrechmige Dispersion von hochangereicherten UO₂-TeIl- ten Sonden 39 und die Rohre 40 durchdrungen. Diechen (37 Gewichtsprozent maximum) in einer Matrix 30 ser Reflektorbereich ist für dauernden Betrieb eingeaus gesintertem, korrosionsbeständigem Stahlpulver richtet, obgleich auch hier ein Auswechseln möglich

ist. Der äußere Reflektorbereich 98 enthält eine Anzahl von Berylliumplatten 99, die von innen nach außen stärker werden, und zwar von einer Stärke von 19,05 mm bis zu einer Stärke 6,985 cm. Die Platten 99 werden von Schienen 100 von unten abgestützt und sind oben durch Gewindezapfen 101 gehalten. Die Kanäle 102 für das Kühlmittel zwischen den Reflektorplatten 99 sind 1,02 mm breit. Alles Konstruktionsmaterial, das in dem Reaktor verwendet wird, besteht aus korrosionsbeständigem Stahl. Aus korrosionsbeständigem Stahl besteht auch das Material der Matrix für den Spaltstoff. Es sind zwar Materialien mit niederem Absorptionsquerschnitt, wie z. B. Aluminium, früher in Versuchsreaktoren verwendet worden, die Konstruktion dieses Reaktors macht es jedoch möglich, ein Material mit einem etwas höheren Absorptionsquerschnitt zu verwenden, ohne daß die Neutronenflußdichte und die Reaktivität wesentlich sinken. Der Grund hierfür ist, daß die Experimentiereinrichtungen, die thermische Neutronen benötigen, sich an Stellen befinden, die von der Spaltstoffzone des Reaktors ausreichend entfernt sind.

Die Verwendung von Stahl macht es notwendig, einen kostbaren Spaltstoff zu verwenden. Die Ausgaben hierfür gewährleisten eine sehr lange Lebensdauer, da der Abbrand pro Einheit zur Verfügung stehender Überschußreaktivität sehr groß ist.

Ebenso weist der Reaktor, bedingt durch den Stahlkern, ein epithermisches Flußspektrum auf, so daß der Reaktor ein intermediärer oder mittelschneller Reaktor mit einer mittleren Kernspaltungsenergie von etwa 8 eV ist. Da der Xenon- und Samariumzuwachs nach dem Abschalten im wesentlichen beseitigt ist, ist ein Xenonausgleich sogar bei Energiedichten in der Größenordnung von einigen Megawatt pro

	Rautenförmige
Geometrischer Querschnitt	Anordnung von flachen
	Platten
Anzahl der Spaltstoffplatten	27
Abstand der Spaltstoffplatten (mm)	1,02
Plattenstärke (mm),
Hülle-Spaltstoffdispersion-Hülle	0,13-0,76-0,13
Breite (cm), Gesamtbreite	5,98
Breite der Spaltstoffdispersion	5,00
Länge (cm), Gesamtlänge	52,07
Länge der Spaltstoffdispersion ....	45,72

60

Der übrige Teil des Reaktors, der noch beschrieben werden soll, ist der Reflektor 42, der allgemein in Fig. 2 und im einzelnen in den Fig. 4 bis 7 dargestellt ist. Der Reflektor 42 besteht aus Beryllium und ist 30,48 cm stark und erstreckt sich 5,08 cm über und unter die aktive Spaltstoffhöhe von 45,72 cm. Der Reflektor weist die Form eines geraden hexagonalen Prismas mit einem Durchmesser zwischen gegenüberliegenden Flachseiten von 106,68 cm auf. In der Mitte des Reflektors befindet sich eine zentrale, hexagonale Öffnung für den Kern 41. Der Boden des Reflektors 42 wird durch die untere Trägerplatte 49 unterstützt. Oben wird der Reflektor durch die obere Tragplatte 48 gehalten.

Kilogramm Spaltstoff möglich. Andere Vorteile, die aus der Verwendung von korrosionsbeständigem Stahl im Kern resultieren, sind in der wesentlichen Einschränkung der Korrosion des Konstruktionsmaterials und der großen Festigkeit und Stabilität der Spaltstoffplatten zu sehen.

Mit dem Reaktor gemäß der Erfindung können, ohne die Vorteile, die flachen plattenförmigen Spaltstoffelementen mit identischen Abmessungen eigen sind, einzubüßen, die Vorteile eines zylindrischen Kerns, der eine in der Mitte angeordnete kreisförmige »flux trap« enthält, im wesentlichen erhalten werden. Lediglich durch die beschriebene Anordnung der rautenförmigen Brennstoffelemente wird ein Kompromiß zwischen der quadratischen oder rechteckigen und kreisförmigen Geometrie geschlossen, welcher Kompromiß die Vorteile beider Anordnungen vereint.

Das andere bedeutende Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung von Energiespitzen am Rand des Kerns und insbesondere in Nähe der Grenzschicht zwischen Kern und der in der Mitte angeordneten »flux trap«. Dies wird erreicht durch die richtige Ausfluchtung der Platten in den Brennstoffelementen in bezug auf die Randschichten des Kerns und durch Verringerung der Spaltstoffmenge in bestimmten Brennstoffplatten.

F i g. 10 zeigt die bevorzugte Anordnung der Spaltstoffplatten. Wie dargestellt, sind die Spaltstoffplatten in der Stellung Nummer 1, die alle in Nähe der »flux trap« in der Mitte angeordnet sind, alle parallel zu der Grenzschicht zwischen dem Kern und der »flux trap«. Die Spaltstoffplatten, die der »flux trap« am nächsten angeordnet sind, enthalten weniger Spaltstoff als diejenigen, die weiter von der »flux trap« entfernt sind, um Flußspitzen nahe der »flux trap« zu * vermeiden. Durch diese Ausbildung des Reaktors wird die Spitzenenergie an der Grenzschicht von einem Wert, der dem 8- bis dem 9fachen der durchschnittlichen Energie des Kerns bei einem gleichmäßig beschickten Kern auf einen Wert weniger als das 2fache dieser durchschnittlichen Energiedichte reduziert.

Vom Gesichtspunkt des Spitzenflusses allein wäre es wünschenswert, daß alle Spaltstoffplatten in den Brennstoffelementen in Nähe der äußeren Grenzschicht des Kerns parallel zu dieser Grenzschicht verlaufen. Dies ist natürlich für die mit Nummer 5 bezeichneten Lagen der Spaltstoffelemente nicht möglich. Deshalb sind bei einer bevorzugten Ausführungsform die Platten von sechs der Brennstoffelemente an den Stellen Nummer 4 nicht parallel zu der äußeren Grenzschicht orientiert. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, daß die Neigungshöhen und Neigungsbreiten der Spaltstoffelemente etwas voneinander verschieden sind. Es würde deshalb notwendig sein, Abstandshalter an drei Ecken des Reaktors zu verwenden, wenn alle Brennstoffelemente mit der Bezeichnung Nummer 4 so angeordnet werden würden, daß ihre Spaltstoffplatten parallel zu der Kerngrenze oder dem Kernrand verlaufen.

Statt dessen wird ein Kompromiß geschlossen, wobei die meisten Platten der äußeren Brennstoffelemente parallel zu der Kerngrenze verlaufen, jedoch die Platten von sechs Brennstoffelementen sind anders orientiert.

Folgende Spaltstoffplattenbeschickung wurde verwendet:

Tabelle I

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Ort des	Anzahl	Gehalt an UO2
Spaltstoffelements (s. Fig. 10)	der Platten	in der Spaltstoff dispersion Gewichtsprozent
1	1	4,59
	2	5,88
	3	7,62
	4	9,81
	5	12,8
	6	16,8
	7	22,1
	8	28,1
	9	34,6
	10 bis 27	37,0
2	1 bis 27	37,0
3	1 bis 27	37,0
4	1 bis 22	37,0
	23	31,8
	24	31,8
	25	27,8
	26	20,8
	27	14,5
5	1 bis 27	37,0

25 Bremsmittel aus korrosionsbeständigem Stahl für den Neutronenfluß, die nicht dargestellt sind, und die eine Stärke von etwa V2 cm aufweisen, sind neben den Spaltstoffelementen, die die Stellen Nummer 2 und Nummer 5 einnehmen, angeordnet, um die Flußspitzen an diesen Stellen zu verringern.

Die nachfolgende Tabelle gibt einige der wesentlichen Reaktorparameter wieder.

Tabelle II

Reaktor-Nennleistung

(Megawatt) 100

Kühlmittelmoderator H₂O

Spaltstoff 93,5%iges angereichertes UO₂-Cermet (Keramik-Metallgemisch)
mit 0,08 Gewichtsprozent
Samarium

Reflektor radial Beryllium,

axial H₂O
Spaltstoffbeschickung (kg U²35) 50,7

Kernvolumen (Liter) 74,2

Thermischer Neutronenfluß

(ungestört) (n/cm²—see)

innere thermische Säule .. 3,5 · 10¹⁵
Berylliumreflektor 7,2 · 10¹⁴

Kühlmittel

Strömungsgeschwindigkeit

(kg/Std.) 3,18 · 106

Geschwindigkeit (m/sec) . 12,2

Einlaßtemperatur (⁰C) .. 57

Auslaßtemperatur (⁰C) .. 84

Einlaßdruck (kg/cm²) ... 31,64

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Mit Leichtwasser gekühlter und moderierter Atomkernreaktor, dessen Kern einen Querschnitt

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in Form eines regulären Sechsecks und eine Vielzahl von Brennstoffelementen mit rautenförmigem Querschnitt aufweist, die in mehreren konzentrischen hexagonalen Ringen angeordnet sind und von denen jedes Brennelement mehrere parallele Spaltstoffplatten aufweist, die so angeordnet sind, daß die Spaltstoffplatten der meisten Brennstoffelemente parallel zum Umfang des Kerns verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß sich in an sich bekannter Weise im Zentrum des Kerns ein sechseckiges Loch befindet und daß der Spaltstoffgehalt der Spaltstoffplatten stufenweise von dem inneren und dem äußeren Umfang des Kerns nach der Mitte der Ringzone des Kerns hin zunimmt.

2. Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltstoff in an sich bekannter Weise eine Dispersion von UO₂ in korrosionsbeständigem Stahl ist.

3. Atomkernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltstoffkonzentration in den Brennstoffelementen so gewählt ist, daß die mittlere Spaltungsenergie etwa 8 eV beträgt.

4. Atomkernreaktor nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch sechs flache plattenförmige Sicherheitselemente, die hexagonal um die äußeren Begrenzungswände des Kerns herum angeordnet sind und durch sechs flache plattenförmige Regelelemente, von denen drei radial zum Kernzentrum und drei gegenüber den ebengenannten dreien parallel versetzt angeordnet sind.

5. Atomkernreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus 45 Brennstoffelementen mit parallelen Spaltstoffplatten gebildet ist, wobei jeweils drei Gruppen von je 15 Elementen einen unvollständigen Rhombus mit Winkeln von 60 und 120° bilden, der an den zwei der Peripherie des Kerns zugeordneten Außenseiten je vier und

an den anderen beiden Seiten je drei Elemente aufweist, so daß das Loch im Zentrum des Kerns durch die fehlenden inneren Ecken der drei mit den kürzeren Seiten aneinandergrenzenden Rhomben gebildet wird.

6. Atomkernreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß drei Steuerelemente zwischen den Rhomben so angeordnet sind, daß sie längs den kürzeren Seiten jeweils von einer Ecke am äußeren Umfang des Kerns zu einer Ecke des inneren Umfangs in radialer Richtung verlaufen.

7. Atomkernreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern von einem Berylliumreflektor umgeben ist und daß dieser Reflektor aus einer inneren Zone aus einem Ring von Berylliumelementen mit rautenförmigen Querschnitten und zentralen Bohrungen, die leicht auswechselbare Berylliumstopfen enthalten und aus einem äußeren Bereich aus konzentrisch und ringförmig angeordneten Berylliumplatten besteht, deren Stärke von innen nach außen in dem Reflektor zunimmt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Siemens-Zeitschrift, Dezember 1959, H. 12,
S. 749;

Proceedings of the Second United Nations International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy, 1958, Bd. 10, S. 28;

Nucleonics, November 1956, S. 141;

Nuclear Science and Engineering, 6, S. 420 bis
(1959);

Proceedings of the United Nations International Conference on the Perceful Uses of Atomic Energy, 1956, Bd. 5, S. 355;

D. H. Gurinsky und G. J. Diener, »Nuclear Fuels«, der Reihe »The Geneva Series on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, 1956, S. 250 und 251.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen