DE1295713B

DE1295713B - Forschungsreaktor mit einem Moderator in Form einer Fluessigkeit

Info

Publication number: DE1295713B
Application number: DEA47139A
Authority: DE
Inventors: Macphee John
Original assignee: AMF Inc
Current assignee: AMF Inc
Priority date: 1963-09-25
Filing date: 1964-09-22
Publication date: 1969-05-22
Also published as: BE653398A; US3466225A; GB1074089A; CH475630A

Description

1 2

Die Erfindung betrifft einen Forschungsreaktor mit liehen zusätzlichen Hilfsmittel unpraktisch. Dagegen einem Moderator in Form einer Flüssigkeit und erweist sich ein Hilfsreaktor, der im Gleichgewichtseinem zentralen aktiven Kern im Moderator, be- zustand bei relativ hohem Leistungspegel betrieben stehend aus spaltbarem Urandioxid als Brennstoff, und weiterhin kurzzeitig auf so hohe Leistungsstöße der mit einer Zirkonlegierung umkleidet ist und in 5 gefahren werden kann, wie der erfindungsgemäße einer derartigen Anordnung vorliegt, daß eine im Forschungsreaktor, im Hinblick auf den Kosten-Gleichgewichtszustand ablaufende Kettenreaktion faktor als praktisch und stellt in der Praxis ein außeraufrechterhalten wird, wobei diese Anordnung in ordentlich wertvolles Werkzeug dar. Ein derartiger einer Kammer vorliegt, in der die moderierende FIüs- Reaktor ist ausreichend vielseitig, um dem seit lansigkeit im Wärmeaustausch mit dem Brennstoff zum io gern auf dem einschlägigen Gebiet gesuchten Lösungs-Umlauf gebracht wird und das Verhältnis der mode- Vorschlag für eine Einheit derartiger Leistungsfähigrierenden Flüssigkeit zu dem im Kern vorliegenden keit zu entsprechen.

Urandioxid dergestalt gewählt ist, daß dasselbe aus- Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabenreichend groß ist, um eine ausreichende Überschuß- stellung zugrunde, einen verbesserten Kernreaktor reaktivität zu erzielen, und ausreichend klein ist, um 15 mit offenem Schwimmbecken zu schaffen, der in der einen ausreichenden Doppler-Koeffizienten der Reak- Lage ist, bei relativ hohen Leistungspegeln zu arbeitivität zu erzielen, wobei zwischen abwechselnden ten und bei einem entsprechenden Erfordernis inten-Reihen der Brennstoffanordnungen schmale Kanäle sive Leistungsstöße kurzzeitig abzugeben, speziell vorgesehen sind, die letzteren für die Aufnahme einen Forschungsreaktor der angegebenen Art zu jeweils einer Steuerstabanordrrung, bestehend aus 20 schaffen, der bei Leistungspegeln von Megawatt einer Führung und einem beweglichen Steuerstab, arbeitet und bei einem Pulsieren in der Lage ist, und wobei der Steuerstab an einem Stoßdämpfer be- kurzzeitig Leistungsstöße einer mehrere Größenfestigt ist. Ordnungen größeren Leistung als bei dem Betrieb im

Die Erfindung geht von dem obengenannten Stand Gleichgewichtszustand abzugeben, der Technik aus, wobei die aufgezählten Einzelmerk- 35 Diese Aufgabe wird beim Forschungsreaktor der male bis einschließlich des Erzielens eines ausreichen- eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß erfinden Doppler-Koeffizienten der Reaktivität durch die dungsgemäß das Volumenverhältnis von Moderator Veröffentlichung im »Directory of Nuclear Reac- zu Brennstoff sich auf 1:1 bis 1,6 :1 beläuft und die tors«, Vol. ΠΙ, I960, S. 29 bis 33, bekanntgeworden zwischen abwechselnden Reihen der Brennstoffsind, das Merkmal des Vorsehens von schmalen und 30 anordnungen vorgesehenen schmalen Kanäle so klein breiten Kanälen zwischen den Reihen der Brenn- gewählt sind, daß sich ein Doppler-Koeffizient der Stoffanordnungen, wobei die breiten Kanäle für die Reaktivität ergibt, der für ein pulsierendes Arbeiten Aufnahme einer Steuerstabanordnung, bestehend aus und Steuern ausreichend ist.

einer Führung und beweglichen Steuerstangen, die- Das Pulsieren wird durch ein schnelles Zurück-

nen, ist durch die Veröffentlichung »Directory of 35 ziehen einer Steuerstange erreicht, wobei jedoch auch Nuclear Reactors«, Vol. Π, 1959, S. 70, 71 und 76, teilweise andere Anordnungen zur Verwendung 78, und das Merkmal der Befestigung eines Stoß- kommen können, die es ζ. B. ermöglichen, ein schneldämpfers an dem Steuerstab durch eine Reihe weite- les Einführen zusätzlichen Brennstoffes gegenüber rer Veröffentlichungen (französische Katentschrift der Brennstoffmenge auszuführen, wie sie zum Be-1325 396, USA.-Patentschriften 3 096 268 und 40 trieb des Reaktors im Gleichgewichtszustand erfor-2 876 867) bekanntgeworden. Weiterhin ist das Merk- derlich ist.

mal des Umkleidens des Urandioxides als Brennstoff Vorzugsweise beläuft sich das Volumenverhältnis

mit einer Zirkonlegierung bekannt durch die Ver- von Moderator zu Brennstoff auf etwa 1,2:1. öffentlichung im »Directory of Nuclear Reactors«, Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der

Vol. III, 1960, S. 295. 45 Erfindung ist jede Brennstoffanordnung an ihrem

Bei der Untersuchung der Effekte, die sich bei der Ende mit einer Armatur für die Befestigung in einer Bestrahlung von Proben in Kernreaktoren ergeben, Gitterplatte ausgerüstet, wobei die Achsen der ist der Forschungsreaktor ein recht zweckmäßiges Brennstoffanordnung und der ihr zugehörigen Arma-Werkzeug geworden. Auf diesem Gebiet hat sich bei tür zueinander parallel verschoben sind, der Entwicklung der Technologie ein ausgeprägtes 50 Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung Bedürfnis für einen Forschungsreaktor ergeben, der weist jede Brennstoffanordnung innerhalb einer Umkurzzeitige Leistungsstöße von 5000 und mehr Mega- kleidung Brennstoff stäbe, die von Abstandshaltern watt abgibt. Die Verfügbarkeit derartig hoher Lei- auf Abstand gehalten werden, wobei die Abstandsstungspegel in einem Forschungsreaktor zusätzlich zu halter an einer an den Brennstoff stäben vorgesehenen der im Gleichgewichtszustand abgegebenen Leistung 55 Umkleidung angebracht sind.

bei niedrigen Pegeln ist seit langem wünschenswert. Eine weitere zweckmäßige Fortbildung des Erfin-

Das Erfordernis wird von den einschlägigen Fach- dungsgegenstandes besteht darin, daß die Brennstoffleuten auf dem Gebiet der Kernstrahlung anerkannt, stäbe in axial aneinandergereihte Teile aufgeteilt und die Schaffung eines derartigen Systems würde als sind, die ein konkaves Ende aufweisen. Durch die außerordentlich zweckmäßig für viele Zwecke be- 60 Erfindung wird der technische Fortschritt erzielt, grüßt werden, und zwar z. B. zur Ausbildung kurz- kurzlebige Isotope für die medizinische Forschung lebiger Isotope auf dem Gebiet der Medizin als besonders günstig herstellen zu können. Auch wird Tracer u. dgl. die Untersuchung der Wirkung von Kernstrahlung

Bei dem derzeitigen Stand der Technik wäre ein auf elektronische oder ähnliche Ausrüstungen sowie Forschungsreaktor, der im Gleichgewichtszustand 65 biologische Proben erleichtert, einen Leistungspegel von mehr als etwa 5 bis 10 MW Ein Forschungsreaktor gemäß der Erfindung wird

abgibt, vom Kostenstandpunkt aus und auch vom im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Standpunkt der zum Betrieb des Reaktors erforder- erläutert.

3 4

F i g. 1 ist ein schematischer Seitenaufriß eines die Umkleidung bildende Metall muß hohe mecha-

Reaktorkerns gemäß der Erfindung in seinem Ver- nische Festigkeit, hohen Schmelzpunkt und geringen

hältnis zu den verschiedenen Bauelementen eines her- Einfangquerschnitt für thermische Neutronen auf-

kömmlichen Forschungsreaktors; weisen. Für diesen Zweck hat sich eine Zirkonlegie-

F i g. 2 ist ein Querschnitt durch den Reaktorkern 5 rung als vorteilhaft erwiesen, die in geeigneter Weise

längs der Linie 2-2 der F i g. 1 und zeigt die Brenn- in die Form eines an beiden Enden abgedichteten

stoff anordnungen und Steuerstabanordnungen des Rohres gebracht wird.

Kerns, wobei die Gitterplatte teilweise bedeckt ist; Die Fig. 1 zeigt eine Wandung 20 des Schwimm-

F i g. 3 zeigt in Seitenansicht teilweise einen Schnitt beckens eines Forschungsreaktors gemäß der Erfin-

einer einzelnen Brennstoffanordnung; io dung und einen darin vorliegenden Reaktorkern 21

F i g. 4 ist ein querseitiger Schnitt längs der Linie auf. Die dem Kern 21 benachbarten Wände 22 sind

4-4 der Fig. 3; durch relativ dichten Beton der Art ausgebildet, wie

F i g. 5 ist eine Seitenansicht einer eine Brennstoff- er üblicherweise für diesen Zweck angewandt wird, anordnung halternden Armatur, von der Linie 5-5 wie z. B. Barytbeton. Eine thermische Säule 24 herder F i g. 3 aus gesehen; 15 kömmlicher Form, die gewöhnlich aus gestapeltem

F i g. 6 ist ein Querschnitt längs der Linie 6-6 der Graphit und Blei besteht, wirkt als Neutronenmode-

Fig. 3; rator für Strahlungsuntersuchungen. Herkömmliche

F i g. 7 ist ein Seitenaufriß der Steuerstangenanord- Strahlungsrohre, von denen lediglich ein Rohr 25 ge-

nung (teilweise im Schnitt); zeigt ist, strahlen in waagerechter Richtung von dem

F i g. 8 ist eine Seitenansicht mit Schnitt längs der ao reaktiven Kern aus. Die Strahlungsrohre 25 weisen

Linie 8-8 der F i g. Ί, wobei der Kolben weggelas- allgemein eine Aluminiumauskleidung und innere

sen ist; Abschirmblöcke aus kompaktem, hochdichtem Beton

Fig. 9 ist ein Querschnitt längs der Linie 9-9 der und Blei auf.

F i g. 7; Ein pneumatischer Probenträger 26 mit einer kon-

F i g. 10 ist eine weitere Ansicht des Reaktorkerns 25 zentrischen Aluminiumluftleitung führt in die Gebiete

und erläutert wahlweise Fließwege für das Kühlmittel an dem Kern, wo hoher Neutronenfluß vorliegt,

um die Brennstoffanordnungen herum. Steuerungen für das Verändern der Zeitspanne der

Der primäre Abschaltmechanismus, der sich auf Probenbestrahlung und für das Bewegen des Kerns

Grund des Brennstofferhitzens ergibt, ist das Ein- innerhalb des Schwimmbeckens nach Stellen, die

fangen der Neutronen auf Grund der Doppler-Ver- 30 nicht benachbart zu der thermischen Säule 24 liegen,

breiterung in dem nicht spaltfähigen Uran (U-238). sind vorgesehen.

(Dies ist der Grund, warum Brennstoff mit relativ Eine herkömmliche Steuerbrücke 28 ist über dem

geringer Anreicherung angewandt wird.) Durch die Schwimmbecken angeordnet. Wie bei 31 gezeigt, sind

Doppler-Verbreiterung werden die Resonanzstellen Steuerstäbe vorgesehen, deren Verlängerungen 29 zu

des Einfangquerschnitts des U-238 verbreitert, sobald 35 den Betätigungsvorrichtungen (nicht gezeigt) der

die Temperatur des U-238 zunimmt. Ein Erhitzen des Steuerstangen an der Brücke 28 führen. Unter dem

Brennstoffes führt somit zu einer Verringerung der Kern 21 ist eine Kühlmittelführung 32 angeordnet,

Reaktivität auf Grund der Doppler-Verbreitung. die mit dem Auslaß 37 über eine Verbindungsstelle

Diese Verringerung der Aktivität führt zu einem Ab- 33 verbunden ist, die gelöst werden kann, um so eine

schalten des Reaktors. Die folgenden Veröffent- 40 Bewegung des Kerns zu der Mitte des Tanks und

lichungen werden genannt, die sich mit dem Ab- nicht benachbart zu der thermischen Säule zu er-

schaltmechanismus befassen: »Direct Measurement möglichen.

of the Dynamic Doppler Coefficient by Self-Limiting F i g. 2 zeigt den Kern im Querschnitt, der eine

Power Excursion Tests« von A. H. S ρ a η ο und Gitterplatte 41 aufweist, die mit einer Mehrzahl

W. K. E r g e η, Trans. American Nuclear Society, 45 Löchern 42 für die Aufnahme der Brennstoffanord-

Bd. 5, Nr. 1, S. 157 und 158 (1962), und »Measure- nungen, öffnungen 43 für den Durchtritt des Kühl-

ment of the Temperature Coefficient of Resonance mittels und Führungsstiften 40 versehen ist. Die

Absorption in Uranium Metal and Uranium Oxide« Brennstoff anordnungen, die eine größere Zahl Brenn-

von B. L. Palowitch und F. S. Franz, stoffstäbe 46 aufweisen, sind durch das Bezugs-

Nuclear Science und Engineering, 15, S. 146 bis 157, 50 zeichen 45 gekennzeichnet. Die Gitterplatte 41 weist

1963. Platz für 54 Brennstoff anordnungen auf. In der

Der Reaktorkern besteht aus Brennstoffanordnun- Gitterplatte 41 sind, wie in der F i g. 2 gezeigt, .gen, die mit den herkömmlichen plattenförmigen 30 Brennstoffanordnungen enthalten. Die Brennstoff-Aluminium-Uran-Legierungs-Brennstoffanordnungen anordnungen sind so in die Gitterplatte 41 eingesetzt, ausgetauscht werden können, wie sie in vielen For- 55 daß sie eine Anzahl breiter Kanäle 47 zwischen jeder ■schungsreaktoren angewandt werden, die derzeitig in zweiten Reihe und schmalere Kanäle 48 zwischen abBenutzung sind, und aus diesem Grunde ergibt sich wechselnden Reihen bilden. Jeder breitere Kanal als zusätzlicher Vorteil die Möglichkeit einer Um- nimmt eine Steuerstangenanordnung 31 auf, die eine Wandlung der derzeitig bereits vorliegenden einschlä- Steuerstangenführung 49 und eine bewegbare Steuergigen Förschungsreaktoren. Beim Forschungsreaktor 60 stange 50 aufweist.

gemäß der Erfindung wird eine Brennstoffanordnung Auf Grund der Anwendung der Brennstoffanordangewandt, die aus einer Mehrzahl stabförmiger nung nach den F i g. 2 und 5 kann eine Brennstoff-Urandioxid-Brennstoffelemente besteht. Diese EIe- anordnung angewandt werden, die einen einzigen mente werden im Abstand zueinander in einem Be- Aufbau in dem UO₂-Kern nach der Erfindung behälter aus geeignetem Metall, wie einer Zirkon- oder 65 sitzt, d. h., keine speziellen Umrißformen in den Aluminiumlegierung gehalten. Jedes Brennstoff- Brennstoffelementen für die Aufnahme der Steuerelement ist mit einer geeigneten Metallumkleidung stangen ist erforderlich. Jedes der Brennstoffelemente versehen, die den Urandioxid-Brennstoff enthält. Das ist in seiner Lage austauschbar und kann so ver-

schoben werden, daß der Raum für die Steuerstäbe ander anderen Seite einer gegebenen Anordnung vorgesehen ist, wie es durch einen Vergleich der Anordnung der Stäbe in den Reihen 52 und 53 ersiehtlich ist.

Fig. 3 ist ein Aufriß im Schnitt der Brennstoffanordnung 45, die aus Brennstoffelementen oder Stiften 46 besteht, die in einer Kiste 55 eines geeigneten Metalls oder Legierung enthalten sind, wie sie normalerweise auf dem einschlägigen Gebiet für derartige Anwendungszwecke angewandt wird, z. B. Aluminium, Magnesium, Zirkon usw. Die Kiste 55 ist mit einer unteren Armatur 56 und einer oberen Armatur 57 versehen, deren jede an der Kiste ver-

i i i A

seitigen Abständen über der Gitterplatte anzuordnen, so daß die Steuerstäbe zwischen den Brennstoffanordnungen und nicht notwendigerweise in ihnen angeordnet werden können. Auf Grund dieses Aufbaues wird eine erhebliche Flexibilität bezüglich der Anordnung der Steuerstäbe erzielt.

Die Steuerstabanordnung 31 in Form eines flachen die exzentrische Befestigungsarmatur enthält, wird unter Bezugnahme auf die Fig. 5 im Zusammenhang o mit der F i g. 3 beschrieben. Die Mündung 58 der unteren Stirnarmatur 56 enthält zwei Ausrichtungslöcher 74, die zusammen mit den Führungsstiften 40 an der Gitterplatte 41 es ermöglichen, die Brennstoffanordnung 45 in zwei verschiedenen Orientierungen

, j

mittels Schrauben 64 befestigt ist. Die untere Anna- 15 an der Gitterplatte anzuordnen. Dies ermöglicht zutur 56 weist eine Mündung 58 für das Einführen und sammen mit der Tatsache, daß die Mittellinie 72 der

i Lh 42 Mündung 58 exzentrisch bezüglich der Mittellinie 73

des Behälters 55 liegt, daß ein breiter Kanal 47 zwisehen jeder zweiten Reihe der Brennstoff anordnungen ?s vorgesehen werden kann, wie das in den zwei oberen Reihen 52 der Brennstoff anordnungen nach der Fig. 2 gezeigt ist. Indem in abwechselnden Reihen die Brennstoffanordnungen jeweils um 180° gegeneinander gedreht werden, ergeben sich breite Kanäle, wie das bei den Reihen 53 der Brennstoffanordnungen nach der F i g. 2 ersichtlich ist.

Die Platte 60 zur Halterung der Brennstoffstäbe (F i g. 6), weist quadratische Löcher 75 auf, die die g Stirnkappen 69 der Brennstoffstäbe aufnehmen und

68 vorliegen. Ein Ende jedes Brennstoffteils ist vor- 30, orientieren und das Beibehalten des Abstandes der zugsweise bei 67 abgerundet, um so die Bewegung Brennstoffelemente dadurch unterstützen, daß eine des Brennstoffstapels auf Grund der Wärmeausdehnung kleinstmöglich zu halten. Der Raum zwischen
den Brennstoffteilen 66 und den Rohren 68 ist vorzugsweise mit einem geeigneten Gas, wie Helium, gefüllt, um so eine gute Wärmeübertragung zwischen
den Urandioxydteilen 66 und dem Rohr 68 zu erzielen. Die Rohre sind durch Stirnkappen 69 ver-

Drehen der Brennstoff anordnung in den Löchern 42 der Gitterplatte, einen kreuzförmigen Träger 59 und eine Platte 60 für die Anordnung der Brennstoffstäbe auf. Die obere Armatur 57 weist einen Bügel 61, eine Hülse 62 und einen kreuzförmigen Teil 63 und eine die Brennstoff stäbe haltende Platte 60 auf. Der Bügel 61 stellt eine Anordnung für das Bewegen der Brennstoffanordnung 45 unter Wasser vermittels eines geeigneten Werkzeuges dar. Die die Anordnung der Brennstoffstäbe haltenden Platten 60 halten den Abstand zwischen den Brennstoff stäben 46 aufrecht und tragen diese. Die Brennstoff stäbe 46 weisen Brennstoffteile 66 auf, die in Rohren oder Umkleidungen

fil i

pp schlossen, die vorzugsweise vermittels Verschweißen Drehbewegung verhindert wird. Bei der richtigen Lageanordnung der Brennstoffelemente werden sich die Abstandshalter 71 berühren. Die runden Löcher 76 in' der Platte 60 sind für den Durchtritt des Kühlmittels durch die Brennstoffanordnung vorgesehen.

Die Steuerstabanordnung 31 in Form eines flachen

g Bauteils ist in den Fig. 7 bis 9 gezeigt und weist

an dem Ende des Rohrs abgedichtet sind. Die Stirn- 49 eine Führung 49 und einen bewegbaren Steuerstab 50 kappen 69 sind zweckmäßigerweise mit Ausrichtungs- auf. Der Steuerstab 50 ist an einer Stoßdämpferi i anordnung 78 befestigt, wie sie üblicher Weise für

diesen Zweck angewandt wird. Die Führung 49 des Steuerstabes ist mit Stiften 79 und 80 ausgerüstet, die zur Orientierung der Steuerstabanordnung in den Löchern 43 der Gitterplatte dienen. Der mittlere Stift 79 weist ein Loch für das Kühlmittel auf, um so einen Fluß des Kühlmittels vorbei an der Steuerstange 50 zu ermöglichen. Fig. 9 zeigt die Führung

pp g g

elementen, wie quadratischen Bolzen ausgerüstet, die mit Löchern 75 in den Platten 60 zusammenpassen, wie es im Zusammenhang mit der F i g. 6 erläutert ist. Es sind Abstandshalter 71 an den Brennstoffrohren 68 befestigt, um so ein Durchbiegen des Brennstoffstabes während des Pulsierens' zu verhindern. Es können hierbei auch andere bauliche

Vorrichtungen, wie Zwingen, für diesen Zweck an- g g g g g

gewandt werden. Wie in der Fig. 4 gezeigt, dient der 50 49 des Steuerstabes, den Steuerstab 50 und die Stifte Behälter 55 zusammen mit den Abstandshaltern 71 79 und 80 der Steuerstabanordnung 31 in entspredazu, die Brennstoffstäbe 46 so zu halten, daß die chenden Einzelheiten. Die Stifte 79 und 80 sind brei-Abstandshalter 71 befestigt an den Rohren 68 mit- ter als die Führung 49, so daß zunächst die der einander und mit dem Behälter in Berührung stehen, Führung benachbarte Brennstoff anordnung entfernt so daß sich eine relativ starre Anordnung ergibt. Eine 55 werden muß, wenn man die Lage der Steuerstangenii Abü di ih anordnung 31 an der Gitterplatte verändern will, wie

es im Zusammenhang mit der F i g. 2 erläutert ist.

Die Führungsanordnung führt den Steuerstab exakt im Kern und umgibt den Stab. Zu diesem Zweck brauchen die Brennstoffanordnungen nicht mit denselben nach unten haltenden Mechanismen ausgerüstet zu sein. Dies liegt daran, daß der Steuerstab nicht mit der Brennstoffanordnung in Berührung k b

gegenseitige Abstützung dieser Art zwischen den Brennstoffstäben ist wichtig, um eine optimale Leistung zu erzielen, die bei einem Biegen der Brenn-Stoffstäbe auf Grund der Wärmeeinwirkungen beeinträchtigt wird.

Die Austauschbarkeit der Brennstoffstäbe wird gemäß der Erfindung durch die bauliche Umrißform der Bauelemente und der Befestigungsanordnungen erzielt. Der Mündungsteil der Brennstoffanordnung ist zur Ausrichtung der Lage der Anordnung in der Gitterplatte bezüglich der Mittellinie des Behälters 55 exzentrisch. Hierdurch wird es möglich, die Brennstoffanordnungen in verschiedenen gegen-

g g

kommen und das Zurückziehen der Steuerstäbe nicht zu einem unbeabsichtigten Zurückziehen benachbarter Brennstoffanordnungen führen kann. Der Steuerstab wird durch einen herkömmlichen Stabmagneten betätigt, wie er bei dem oben angegebenen Reaktor

7 8

der Industrial Reactor Laboratories Inc. angewandt sige Reaktivität zu erzielen; andererseits ist es gewird und in dem Führungsrohr befestigt an dem obe- nügend klein, um einen ausreichenden Dopplerren Ende der Steuerstangenanordnung vorliegt. Der Koeffizienten der Aktivität zu erzielen. Im allgemei-Absorberabschnitt des Steuerstabes ist aus einem ge- nen ist ein pulsierendes Arbeiten bei Leistungen von eigneten Material, etwa aus mit Aluminium verklei- 5 mehr als etwa 2000 Megawatt möglich. Ein Volumen-

detem Cadmium, einer Legierung aus Silber-Indium- verhältnis von Wasser zu Brennstoff von etwa 1: 2

Cadmium od. ä. gefertigt. führt zu einer relativ hohen Neutronentemperatur,

Die F i g. 10 verdeutlicht zwei Möglichkeiten zum wodurch sich in dem Kern ein besonders bevorzugtes, Kühlen der Reaktorkernanordnung 21. Das Kühlmit- relativ hartes, hochenergetisches Neutronenspektrum tel fließt während der normalen, im Gleichgewicht io ergibt. Im Zusammenhang mit der starken Brennvorliegenden hohen Leistungsabgabe in der durch die Stoffbeladung führt dies zu einer relativ kurzen ausgezogenen Pfeile angezeigten Richtung und wird prompten Neutronenlebenszeit von 20 Mikrosekunnach unten durch den Reaktorkern in das Auslaß- den, und dies ist zum Erzielen scharfer Impulse sehr rohr 37 eingeführt, von wo aus das Kühlmittel einer zweckmäßig.

Pumpe und einem Wärmeaustauscher zugeführt wird. 15 Die durch die Erfindung erzielten Ergebnisse sind Von hier aus wird das Kühlmittel wieder in den Tank überraschend vorteilhaft, da es nicht zu erwarten zurückgeführt. Die Pumpe und der Wärmeaustau- war, daß ein mit dem angegebenen Verhältnis von scher weisen herkömmlichen Aufbau auf, wie er z. B. Wasser zu Urandioxyd arbeitender Forschungsreakin dem oben angegebenen Reaktor der Industrial tor für Forschungszwecke geeignet sein würde. Ein Reactor Laboratories Inc. wiedergegeben ist. Wenn 90 derartiger Reaktor kann eine Brennstoffbeschickung eine derartige mit erzwungenem Umlauf arbeitende von 20 kg U 235 enthalten, während ein herkömm-Kühlung vorgesehen ist, wird das Klappenventil 34 licher Schwimmbecken-Forschungsreaktor üblichergeschlossen, wie es durch die ausgezogene Linie in weise eine Brennstoffbeschickung von 4 kg aufweist, der Fig. 10 wiedergegeben ist. Man könnte annehmen, daß der aus dem Reaktor-

Die wahlweise im wesentlichen aus Sicherheits- 35 kern gemäß der Erfindung austretende Neutronengründen vorgesehene Kühlungsweise ist in der F ig. 10 fluß im Vergleich zu dem aus herkömmlichen Reakdurch die gestrichelten Pfeile wiedergegeben. Bei die- torkernen bei einem gegebenen Energiewert kleiner ser mit natürlicher Konvektion arbeitenden Ausfüh- sein würde, da eine allgemeine Regel dahin geht, daß rungsform schwenkt das Klappenventil 34 in die der Fluß in dem Brennstoff direkt proportional dem offene Lage, wie sie durch die gestrichelte Linie in 30 Energie- oder Leistungswert und umgekehrt proder F i g. 10 gezeigt ist, sobald die Umwälzpumpe für portional zu der Brennstoffbeschickung ist. Berechdas Kühlmittel abgeschaltet wird. Der Fluß des Kühl- nungen haben jedoch gezeigt, daß die geeigneten mittels ergibt sich auf Grund der Erhitzung des Kühl- Flußwerte außerhalb des Brennstoffes vergleichbar mittels in der Reaktorkernanordnung 21. Obgleich mit denjenigen in einem herkömmlichen Reaktor diese Führung des Kühlmittels für ein Arbeiten im 35 sind, und zwar obgleich die Flußwerte in dem UO₂-Gleichgewichtszustand bei hoher Leistung nicht Brennstoff tatsächlich niedriger sind,
zweckmäßig ist, ergeben sich hierdurch doch be- Wenn auch bisher verschiedene Umkleidungsmatestimmte Vorteile für das pulsierende Arbeiten. Der rialien für das Urandioxid angewandt worden sind, Kühlmittelumlauf durch natürliche Konvektion stellt ist es beim Reaktor gemäß der Erfindung erfordereine Möglichkeit dar, den Reaktor mit Hilfe des 40 lieh, daß das.Umkleidungsmaterial des Brennstoffs, Doppler-Effektes im Anschluß an ein Pulsieren außer wenn es für die notwendige Ausbildung scharfer Funktion zu setzen, und zwar auf Grund des Kühl- wirksamer Impulse geeignet sein soll, eine Kombinamittel-Temperaturkoeffizienten der Reaktivität und tion bestimmter physikalischer Eigenschaften besitdes starken Temperaturanstiegs des Kühlmittels, wie zen muß, nämlich
er durch das Kühlen vermittels natürlicher Konvek- 45
tion bedingt wird. a) hohe mechanische Festigkeit,

Bei der Herstellung des Reaktorkerns gemäß der _{b) hohen} Schmelzpunkt und
Erfindung ist die Auswahl des Volumenverhaltnis-

ses von Wasser zu Urandioxyd in dem Reaktorkern c) geringen Querschnitt für den Einfang thermiwichtig. Der kritische Charakter dieses Verhältnisses 50 scher Neutronen,
ist vermittels einer parametrischen Untersuchung festgestellt worden. Die Zunahme des Verhältnisses von Diese Eigenschaften weisen das vorgesehene Metall Wasser zu Urandioxyd führt zu einer Verringerung Zirkon in ausreichendem Maße auf.
des Alters des Kerns und bedingt somit eine Zu- Wenn auch rostfreier Stahl zunächst auf Grund nähme der überschüssigen Reaktivität desselben. Um 55 dessen niedriger Herstellungskosten und hohen jedoch einen großen negativen Doppler-Koeffizienten Schmelzpunktes von Interesse ist, führt derselbe doch der Reaktivität zu erzielen, der zum Ermöglichen des zu relativ hohen Wärmebelastungen während des pulsierenden Arbeitens erforderlich ist, ist jedoch ein Pulsierens. So haben z. B. Prüfungen mit einem nur großer Betrag der Resonanzabsorption, d. h., es ist für das Pulsieren entworfenen Urandioxidkern auf eine kleine Wahrscheinlichkeit des Resonanzaustrittes 60 Grund der Wärmebelastung in der Umkleidung aus erforderlich. Dies wird dadurch erreicht, daß das Ver- rostfreiem Stahl zu entsprechenden negativen Ergebhältnis von Wasser zu Urandioxyd verringert wird. nissen geführt. Eine Arbeit, in der eine Umkleidung Somit stellt das abschließende ausgewählte Verhält- aus rostfreiem Stahl in Betracht gezogen wird, ist von nis von Wasser zu Urandioxyd ein Gleichgewicht A. H. S ρ a η ο, »Self-Limiting Power Excursion zwischen den Anforderungen an die Reaktivität und 65 Tests of a Water-Moderated Low Enrichment UO₂ den Doppler-Koeffizienten dar. Das Verhältnis wird Core«, Nuclear Science and Engineering, S. 15, 37 in dem System gemäß der Erfindung so ausgewählt, bis 51 (1963), beschrieben,
daß es ausreicht, um eine genügend große überschüs- Die Ubergangsberechnungen für mit Zirkon um-

Kleidete Brennstoffelemente zeigen, daß Zirkon bezüglich der thermischen Leistung sowohl bezüglich der thermischen Belastung als auch des Schmelzpunktes überlegen ist. Berechnungen, wie sie an Hand von Kernen unter Anwenden dieser drei verschiedenen Umkleidungsmaterialien, d. h. Aluminium, Stahl und Zirkon, ausgeführt worden sind, zeigten eindeutig die Zweckmäßigkeit der Anwendung von Zirkon gegenüber rostfreiem Stahl oder Aluminium als das Umkleidungsmaterial aus Gründen der Reaktivität. Der große Wirkungsquerschnitt rostfreien Stahls macht es unmöglich, einen praktischen Kern unter Anwenden dieses Umkleidungsmaterials aufzubauen, dasein relativ großes Verhältnis Wasser zu Uran zwecks Erzielen der erforderlichen überschüssigen Reaktivität erforderlich ist. Wenn ein großes Verhältnis Wasser zu Uran angewandt wird, wird die Pulsierungsf ähigkeit des Kerns erheblich durch einen sehr kleinen Doppler-Koeffizienten der Reaktivität eingeschränkt. Ein mit Zirkon umkleideter. Kern erzielt dagegen mit ao einem geringen Anteil an Wasser einen höhen negativen Doppler-Koeffizienten der Reaktivität und weist trotzdem ausreichende überschüssige Reaktivität für einen Forschungsreaktor auf. :

Ein Forschungsreaktor, gemäß der Erfindung läßt sich leicht im Gleichgewichtszustand bei 5 Megawatt und höheren. Leistungswerten betreiben. Bei einem Leistungswert von 5 Megawatt beträgt die Geschwindigkeit, des Kühlmittels etwa 12 800 l/m." Der entsprechende Wärmefluß beläuft sich auf weniger als 3« etwa 1 090 000 kcal/m². Bei. einer Leistungsabgabe im Gleichgewichtszustand von 2 Megawatt ergibt sich andererseits eine Geschwindigkeit des Kühlmittels von etwa 45401/m und ein maximaler Wärmefluß von etwa 436 000 kcal/m²h. Es ergibt sich somit, daß der Reaktorkern gemäß der Erfindung in der Lage ist, den Gleichgewichtszustand aufrechtzuerhalten, wie man ihn bei den. herkömmlichen Reaktorkernen der angegebenen Art findet.

"Die Fähigkeit des Reaktorkerns, bei etwa 5 Megawatt zu arbeiten, ist dann wichtig, wenn es beabsichtigt ist, den Leistungswert z. B. auf ein 1 Megawatt zu begrenzen. In derartigen Fällen wird der Reaktor vollständig gegen ein Schmelzen des Brennstoffes beim Abziehen der gesamten Kühlflüssigkeit aus dem Tank sicher sein. Dies trifft nicht auf Reaktorkerne zu, bei denen relativ große Brennstoffteile angewandt werden, wie es bei der Uran-Zirkon-Hydridmatrix erforderlich ist.

Bei einer maximalen Brennstofftemperatur von 800° C, die etwa der Hälfte der Siedetemperatur des Urandioxides entspricht, also relativ niedrig ist, läßt sich ein sehr großer Impuls von 40 Megawattsekunden und ein matimaler Leistungswert von 2000 Megawatt erzielen. Ia ähnlicher Weise läßt sich für einen Grenzwert der Temperatur entsprechend der Sintertemperatur, d. h. angenähert 1650° C, ein außerordentlich intensiver Impuls von etwa 90 Megawattsekunden und 10 000 Megawatt erreichen. Impulse mit maximaler Leistung von noch höherem Wert sind nicht ausgeschlossen.

Claims

Patentansprüche:

" 1. Forschungsreaktor mit einem Moderator in Form einer Flüssigkeit und einem zentralen aktiven Kern im Moderator, bestehend aus spaltbarem Urandioxid als Brennstoff, der mit einer Zirkonlegierung umkleidet ist und in einer derartigen Anordnung vorliegt, daß eine im Gleichgewichtszustand ablaufende Kettenreaktion aufrechterhalten wird, wobei diese Anordnung in einer Kammer vorliegt, in der die moderierende Flüssigkeit im Wärmeaustausch mit dem Brennstoff zum Umlauf gebracht wird, und das Verhältnis der moderierenden Flüssigkeit zu dem im Kern vorliegenden Urandioxid dergestalt gewählt ist, daß dasselbe ausreichend groß ist, um eine ausreichende Überschußreaktivität zu erzielen, und ausreichend klein ist, um einen ausreichenden Doppler-Koeffizienten der Reaktivität zu erzielen, wobei zwischen abwechselnden Reihen der Brennstoff anordnungen schmale Kanäle und breite Kanäle vorgesehen sind, die letzteren für * die Aufnahme jeweils einer Steuerstabanordnung, bestehend aus einer Führung und einem beweglichen Steuerstab, und wobei der Steuerstab an einem Stoßdämpfer befestigt ist, d a d u r c h g e kennzeichnet, daß das Volumenverhältnis von Moderator zu Brennstoff sich auf 1:1 bis 1,6 :1 beläuft und die zwischen abwechselnden Reihen der Brennstoffanordnungen (45) vorgesehenen schmalen Kanäle so klein gewählt sind, daß sich ein Doppler-Koeffizient der Reaktivität ergibt, der für ein pulsierendes Arbeiten und Steuern ausreichend ist.
2. Forschungsreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Volumenverhältriis von Moderator zu Brennstoff auf etwa 1,2:1 beläuft.
3. Forschungsreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Brennstoffanordnung (45) an ihrem Ende mit einer Armatur (56) für die Befestigung in einer Gitterplatte (41) ausgerüstet ist, wobei die Achsen der Brennstoffanordnung (45) und der ihr zugehörigen Armatur (56) zueinander parallel verschoben sind.
4. Forschungsreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Brennstoffanordnung (45) innerhalb einer Umkleidung (68) Brennstoffstäbe (46) aufweist, die von Abstandshaltern (71) auf Abstand gehalten werden, wobei die Abstandshalter (71) an einer an den Brennstoffstäben (46) vorgesehenen Umkleidung (68) angebracht sind.
5. Forschungsreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffstäbe (46) in axial aneinandergereihte Teile (66) aufgeteilt sind, die ein konkaves Ende aufweisen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen