DE1215822B - Arrangement of a multi-zone reactor with natural uranium as nuclear fuel - Google Patents
Arrangement of a multi-zone reactor with natural uranium as nuclear fuelInfo
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES ÄWflÜäS PATENTAMTFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY GERMAN ÄWflÜäS PATENT OFFICE Int. α.:Int. α .:
G21cG21c
Deutsche KL: 21g-21/20German KL: 21g-21/20
Nummer: 1215 822Number: 1215 822
Aktenzeichen: D 30768 VIII c/21 gFile number: D 30768 VIII c / 21 g
Anmeldetag:. 30. Mai 1959 Registration date:. May 30, 1959
Auslegetag: 5. Mai 1966Opening day: May 5, 1966
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.The invention relates to the arrangement of a multi-zone reactor with natural uranium as nuclear fuel in all, possibly differently tempered zones, in which at least one supercritical zone the surrounding zones with excess Neutrons supplied.
Bei den bisher bekanntgewordenen Leistungsreaktoren mit Natururan als Kernbrennstoff werden als Moderatoren entweder schweres Wasser oder Graphit verwendet. Die Erfahrungen haben gezeigt, daß bei allen bisherigen Natururanreaktoren mit nur einer Moderatorsubstanz zwei bemerkenswerte Nachteile auftreten: Bei Verwendung von Graphit als Moderator in Leistungsreaktoren mit Natururan ist die erreichbare spezifische Leistung verhältnismäßig gering. Der Grund dafür ist die bei hohen spezifischen Leistungen auftretende starke Xenonvergiftung, die wegen der geringen Reaktivitätsreserve eines Natururan Graphit-Reaktors nicht kompensiert werden kann. Um bei diesen Reaktoren dennoch hohe Gesamtleistungen zu realisieren, müssen infolge der geringen spezifischen Leistung große Mengen von Natururan und Graphit verwendet werden. Die Konversionsrate für die Erzeugung von Plutonium liegt für diesen Reaktortyp unter günstigen Bedingungen bei etwa 0,8.In the previously known power reactors with natural uranium as nuclear fuel used either heavy water or graphite as moderators. Experience has shown that with all previous natural uranium reactors with only one moderator substance two remarkable ones Disadvantages occur: When graphite is used as a moderator in power reactors with natural uranium, the specific power that can be achieved is proportionate small amount. The reason for this is the high level of specific power that occurs Xenon poisoning, which is not due to the low reactivity reserve of a natural uranium graphite reactor can be compensated. In order to achieve high overall outputs with these reactors, however, Due to the low specific power, large amounts of natural uranium and graphite can be used. The conversion rate for the production of plutonium is below favorable for this type of reactor Conditions at around 0.8.
Bei Verwendung von schwerem Wasser als Moderator in Leistungsreaktoren mit Natururan ist infolge der großen Reaktivitätsreserve eine hohe spezifische Leistung erreichbar. Der wesentliche Nachteil solcher Anordnungen mit hoher Gesamtleistung ist die erforderliche große Schwerwassermenge. Diese Tatsache führt zu sehr hohen Investitionskosten für solche Reaktoren. Die maximal erreichbaren Werte für die Konversionsrate liegen für Schwerwasserreaktoren mit Natururan bei etwa 0,9.When using heavy water as a moderator in power reactors with natural uranium is a consequence a high specific power can be achieved due to the large reactivity reserve. The main disadvantage such high overall performance arrangements is the large amount of heavy water required. These Fact leads to very high investment costs for such reactors. The maximum achievable values the conversion rate for heavy water reactors with natural uranium is around 0.9.
Zur Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades in graphitmoderierten Natururanreaktoren wurde der Kern in Temperaturzonen aufgeteilt. Die beiden thermisch isolierten Zonen enthalten Graphit als Moderator; die Kettenreaktion in der Hochtemperaturzone wird durch überschüssige Neutronen aus der Zone mit niedriger Temperatur aufrechterhalten. In der Hochtemperaturzone wird die erzeugte Wärme bei höherer Temperatur abgeführt, so daß sich bessere Dampfqualitäten erreichen lassen. Auch diese Anordnung hat aber die Nachteile, daß sich darin weder die Konversionsrate noch die Leistungsdichte im Vergleich zu einfachen Natururan-Graphit-Reaktoren steigern lassen.To improve the thermodynamic efficiency in graphite-moderated natural uranium reactors the core was divided into temperature zones. The two thermally isolated zones included Graphite as a moderator; the chain reaction in the high temperature zone is caused by excess Maintaining neutrons from the low temperature zone. In the high temperature zone will the heat generated is dissipated at a higher temperature, so that better steam qualities are achieved permit. However, this arrangement also has the disadvantages that it does not contain either the conversion rate or increase the power density compared to simple natural uranium graphite reactors.
Diese Nachteile werden bei dem eingangs genannten Natururanreaktor dadurch vermieden, daßThese disadvantages are avoided in the above-mentioned natural uranium reactor in that
Anordnung eines Mehrzonenreaktors mit
Natururan als KernbrennstoffArrangement of a multi-zone reactor with
Natural uranium as a nuclear fuel
Anmelder:Applicant:
Ursula Diebner, geb. Sachsse,Ursula Diebner, née Sachsse,
Bernd Jörg Diebner, Flensburg, Twedtermark 85Bernd Jörg Diebner, Flensburg, Twedtermark 85
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
Dr. Erich Bagge,Dr. Erich Bagge,
Dr. Kurt Diebner f, Hamburg-Wandsbek;Dr. Kurt Diebner f, Hamburg-Wandsbek;
Dipl.-Phys. Helmut Engel, Hamburg;Dipl.-Phys. Helmut Engel, Hamburg;
Dipl.-Phys. Gerhard Locke, Hamburg-Altona - -Dipl.-Phys. Gerhard Locke, Hamburg-Altona - -
erfindungsgemäß die Zonen abwechselnd mit schwerem Wasser und Graphit moderiert sind und die 'Natururan-Schwerwasser-Zonen als Neutronenspender für die Natururan-Graphit-Zonen ausgelegt sind.according to the invention the zones are moderated alternately with heavy water and graphite and the '' Natural uranium heavy water zones are designed as neutron donors for the natural uranium graphite zones.
. Die Natururan-Graphit-Zonen weisen ein relativ geringes Volumenverhältnis von Moderator zu Uran
auf, sind also untermoderiert, und übernehmeneinen wesentlichen Teil der Energieproduktion sowie
den Hauptänteil der Konversion von U238 in Plutonium.
Diese Anordnung gestattet im Vergleich zu den bisher bekannten graphitmoderierten Natururan-. The natural uranium-graphite zones have a relatively low volume ratio of moderator to uranium, i.e. they are under-moderated and take over a substantial part of the energy production as well as the main part of the conversion of U 238 into plutonium.
In comparison to the previously known graphite-moderated natural uranium
" "reaktoren eine wesentlich höhere spezifische Leistung in den graphitmoderierten Stufen, d. h., zur Erzielung gleicher Gesamtleistungen sind erheblich geringere Uran- und Graphitmengen erforderlich. Die gesamte D2O-Menge dieses Reaktortyps ist erheblich geringer als die eines reinen Natururan-D2O-Reaktors gleicher Gesamtleistung. Durch die Wahl der -Mischungsverhältnisse von Natururan zu Moderator in den verschiedenen Stufen läßt sich der Konversionsfaktor einstellen. Es läßt sich eine gemittelte Konversionsrate von 0,8 bis herauf zu 1,0 erreichen. Die damit im Prinzip erzielbaren Konversionsraten sind höher als alle in den bisher vorliegenden Studien über Natururan-Leistungsreaktoren angegebenen Werte."" reactors have a significantly higher specific output in the graphite-moderated stages, ie, to achieve the same overall output, considerably lower amounts of uranium and graphite are required. The total D 2 O amount of this type of reactor is considerably less than that of a pure natural uranium D 2 O reactor of the same total output. The conversion factor can be set by choosing the mixing ratios of natural uranium to moderator in the various stages. An average conversion rate of 0.8 up to 1.0 can be achieved. The conversion rates that can be achieved in principle are higher than all the values given in the studies available to date on natural uranium power reactors.
Ein Reaktor dieses Typs weist überdies den Vorteil auf, daß die Brennstoffelemente in den verschie-A reactor of this type also has the advantage that the fuel elements in the various
609 567/397609 567/397
denen Stufen ebenso wie bei Schwerwasserreaktoren,
z. B. durch eine hochsiedende organische Substanz,
die leichten Wasserstoff enthält, gekühlt werden
kann. Die Reaktivitätsreserve dieses Reaktors ermöglicht es z. B., solche Mengen organischen Kühlmittels
einzusetzen, daß Reaktiyitätsverluste des Gesamtreaktors
von etwa 2% kompensiert werden
können. · - · "'■'· those stages as well as heavy water reactors,
z. B. by a high-boiling organic substance,
containing light hydrogen, must be cooled
can. The reactivity reserve of this reactor enables z. B. to use such amounts of organic coolant that reactivity losses of the entire reactor of about 2% are compensated
can. · - · "'■' ·
Ein mögliches Äusführungsbeispiel des Mehrzonen-Natururan-Reaktors
gemäß der Erfindung ist
in der schematisch in Fig. 1 angegebenen Anordnung dargestellt: Der dort dargestellte Reaktor enthält
insgesamt die vier Stufen I, Π, ΙΠ und IV. Die
Stufe I ist der zylindrische Kern des Reaktors und
besteht aus einem Natururan-Graphit-Gitter. In der
Stufe II befindet sich ein Natururan-D2O-Gitter,
während die Stufe HI wiederum eine Natururan-Graphit-Anordnung enthält. Die Stufe IV schließlich
dient in den Mantelbereichen und auch in den Abdeckplatten als Reflektor für die Neutronen des
Reaktorkerns. Die einzelnen Zonen umgeben sich
dabei zylindrisch. In den Stufen I, II und ΙΠ befinden sich metallische Brennstoffstäbe. Es ist aber
auch vorgesehen, Uranoxyd als Brennstoff zu verwenden, wobei dann z.B. Zirkon als Einkleidungsmaterial verwendet werden muß. Die vom Einkleidungsmaterials
umgebenen Brennstoffstäbe 1 befinden sich in dazu konzentrischen Rohren 2, durch dieA possible embodiment of the multi-zone natural uranium reactor according to the invention is
shown in the arrangement shown schematically in Fig. 1 : The reactor shown there contains a total of four stages I, Π, ΙΠ and IV. The
Stage I is the cylindrical core of the reactor and
consists of a natural uranium graphite grid. In the
Level II is a natural uranium D 2 O grid,
while stage HI again contains a natural uranium-graphite arrangement. Finally, stage IV
serves as a reflector for the neutrons of the in the cladding areas and also in the cover plates
Reactor core. The individual zones surround each other
thereby cylindrical. There are metallic fuel rods in stages I, II and ΙΠ. But it is
also intended to use uranium oxide as fuel, in which case zirconium, for example, must be used as a cladding material. The fuel rods 1, which are surrounded by the cladding material, are located in tubes 2 which are concentric thereto and through which
das organische Kühhnittel strömt. Die Fig. 1 enthält zur Veranschaulichung je einen Brennstoffstab in den drei Stufen I, II und III. An der Stelle 3 fließt das Kühhnittel zu, an der Stelle 4 wird es dem Reaktor 5; wieder entnommen. Um auch die in den Moderatoren anfallende Wärme abzuführen, wird für die Natururan-Gräphit-Stufen I und ΙΠ eine Gaskühlung, für die Natururan-D2O-Stufe II eine Umlaufkühlung des Moderators vorgesehen. Als Beispiel istthe organic refrigerant flows. For illustration purposes, FIG. 1 contains one fuel rod in each of the three stages I, II and III. At point 3, the coolant flows in, at point 4 it is fed to reactor 5; removed again. In order to dissipate the heat generated in the moderators, gas cooling is provided for natural uranium graphite stages I and ΙΠ, and circulation cooling of the moderator is provided for natural uranium D 2 O stage II. As an example is
ίο in Stufe ΠΙ die Gaszufuhr 7 und Gasentnahme 8 und in Stufe Π die D2O-Zufuhr 5 und D2O-Abfuhr 6 eingezeichnet. F i g. 2 gibt die Flußverteilung der Neutronen für das Ausführungsbeispiel an, wobei die zugehörigen Flußwerte _ für den thermischen und den schnellen Neutronenfluß in ausgezogener bzw. gestrichelter Form eingetragen sind. Die zu dieser Flußverteilung gehörenden Zahlenwerte sind in Tabelle 1 enthalten. Als weiteres Beispiel ist außerdem in Fig. 3 die Flußverteilung für einen Reaktor mit abgeänderten Natururan-Moderator-Mischungsyerhältnissen angegeben. Die zugehörenden Zahlenwerte finden sich in Tabelle 2. Die hier mitgeteilten Zahlen entsprechen den allgemeinen Kennzeichen dieses Reaktortyps. Zum Vergleich sind die entsprechenden Zahlenwerte für einen reinen Natururan-Graphit-Reaktor und einen reinen Natururan-D2O-Reaktor von etwa gleicher Gesamtleistung in Tabelle 3 angegeben.ίο in stage ΠΙ the gas supply 7 and gas withdrawal 8 and in stage Π the D 2 O supply 5 and D 2 O discharge 6 shown. F i g. 2 gives the flux distribution of the neutrons for the exemplary embodiment, the associated flux values for the thermal and the fast neutron flux being entered in solid or dashed form. The numerical values associated with this flow distribution are contained in Table 1. As a further example, the flow distribution for a reactor with modified natural uranium / moderator mixture ratios is also given in FIG. 3. The associated numerical values can be found in Table 2. The figures reported here correspond to the general characteristics of this reactor type. For comparison, the corresponding numerical values for a pure natural uranium graphite reactor and a pure natural uranium D 2 O reactor with approximately the same total output are given in Table 3.
Aktive Höhe des Reaktorkerns (cm) Active height of the reactor core (cm)
Durchmesser (cm) Diameter (cm)
D2O-Menge (t) D 2 O quantity (t)
Graphitmenge (t) Amount of graphite (t)
Uranmenge (t) .., Uranium quantity (t) ..,
Brennstoffelementdurchmesser bei Metallelementen (cm) .. Brennstoffelementdurchmesser bei Oxydelementen (cm) ...Fuel element diameter for metal elements (cm) .. Fuel element diameter for oxide elements (cm) ...
Konversionsfaktor .*.... Conversion factor. * ....
Maximale spezifische Leistung bei Metallelementen (MW/t) Maximale spezifische.Leistung bei Oxydelementen (MW/t)Maximum specific power for metal elements (MW / t) Maximum specific power for oxide elements (MW / t)
Leistung bei Metallelementen (MW) ·,.".,." Power for metal elements (MW) ·,. ".,."
Leistung bei Oxydelementen (MW) Power for oxide elements (MW)
Volumenyerhältnis von. Moderator zu. Uran Volume ratio of. Moderator too. uranium
Gesamttotal
Aktive Höhe des Reäktorkerns (cm) Active height of the reactor core (cm)
Durchmesser (cm) . .·. .-.......... Diameter (cm). . ·. .-..........
D2O-Menge (t) .■ D 2 O amount (t). ■
Graphitmenge (t) Amount of graphite (t)
Uranmenge (t) -..'... ,V. Amount of uranium (t) -..'..., V.
Brennstoffelementdurchmesser bei Metallelementen (cm) .. Brennstoffelementdürchmesser bei Oxydelementen (cm) ...Fuel element diameter for metal elements (cm) .. Fuel element diameter for oxide elements (cm) ...
Konversionsfaktor ..... Conversion factor .....
Maximale spezifische Leistung bei Metallelementen (MW/t) Maximale spezifische Leistung bei Oxydelementen (MW/t)Maximum specific power for metal elements (MW / t) Maximum specific power for oxide elements (MW / t)
Leistung bei Metallelementen (MW) Power for metal elements (MW)
Leistung bei Oxydelementen (MW) ...; Power with oxide elements (MW) ...;
Volumenverhältnis von Moderator zu Uran Volume ratio of moderator to uranium
400
512400
512
13
17513th
175
27,827.8
— 1,01- 1.01
60
24060
240
und Reflektor
(t)Moderator
and reflector
(t)
(t)fuel
(t)
faktorConversions
factor
Natururan — D2O (Metallelemente, 100 MW)
Natururan — D2O (Metallelemente, 1000 MW)
Natururan — D2O (Oxydelemente, 300 MW) Sodium Graphite (Calder Hall, 180 MW)
Natural uranium - D 2 O (metal elements, 100 MW)
Natural uranium - D 2 O (metal elements, 1000 MW)
Natural uranium - D 2 O (oxide elements, 300 MW)
30
120
901500
30th
120
90
15
40
15130
15th
40
15th
0,8
0,9
0,80.8
0.8
0.9
0.8
Claims (7)
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1048 363,
1028249;Considered publications:
German Auslegeschrift No. 1048 363,
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USA.-Patentschrift Nr. 2 865 826;
»Nucleonics«, Mai 58, S. 114 bis 117;
»Die Technik«, 12, H. 4,1957, S. 314;
»Electrical Times«, 19.12.1957, S. 972.British Patent Nos. 697,601, 781648;
U.S. Patent No. 2,865,826;
"Nucleonics", May 58, pp. 114 to 117;
"Die Technik", 12, H. 4,1957, p. 314;
"Electrical Times", December 19, 1957, p. 972.
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