DE1218077B - Kernreaktor, dessen dampfbildender Moderator im Naturumlauf zirkuliert - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G 21 c

Deutsche KL: 21g-21/20

Nummer: 1218 077

Aktenzeichen: U 6618 VIII c/21 g

Anmeldetag: 4. November 1959

Auslegetag: 2. Juni 1966

Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor, dessen dampfbildender Moderator im Naturumlauf zirkuliert und dessen Kern Kanäle aufweist, die vom Moderator durchströmt werden und sich in Richtung des Moderatorstroms erweitern.

Siedewasserreaktoren, insbesondere solche mit Naturumlauf, unterliegen Beschränkungen, die durch die Probleme der Wärmeableitung bedingt sind. In Siedewasserreaktoren bilden sich Dampfpfropfen, die aus dem Zusammenfließen einzelner Blasen mit hohen Hohlraumanteilen entstehen und Dampftaschen bilden, welche praktisch den gesamten Querschnitt der Naturumlauf-Kühlmittelkanäle ausfüllen. Wenn die mittlere Dichte des Zweiphasengemisches (Flüssigkeit und Dampf) abnimmt, nimmt die mittlere Geschwindigkeit entsprechend zu, was zu stark erhöhten Reibungsdruckgradienten in der Nähe des Kanalauslasses führt.

Es wurde ferner festgestellt, daß die Dampfpfropfen, die sich in der Nähe des Kanalauslasses bilden, kurzzeitig die Heizflächen ummanteln und schließlich eine Zerstörung der Brennstoffelemente durch Überhitzen verursachen. Es tritt vorübergehend eine Temperaturerhöhung der Heizfläche auf, deren Größe von dem Wärmefluß und der Dauer der Ummantelung abhängt. Wenn dieser Temperaturanstieg ausreichend stark ist, ist ein unstabiler Zustand die Folge, der zum Überhitzen führt. Es ist daher wesentlich, daß solange als möglich die Bildung großer Dampfmassen verhindert wird, die den Kanal völlig füllen.

Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, einen Kernreaktor zu schaffen, in welchem der durch die Bildung von Dampfpfropfen in der Nähe des Kanalauslasses verursachte Reibungsdruckabfall möglichst gering ist und bei welchem die durch die Bildung von Hohltaschen in der Nähe des Kanalaustritts verursachte Brennstoffüberhitzung wesentlich verringert ist.

Es ist bereits ein Kernreaktor mit dampf bildendem Moderator bekanntgeworden, bei welchem dadurch günstige Betriebsbedingungen erzielt werden, daß die Kanäle, in welchen der Moderator von unten nach oben fließt, sich in Richtung des Moderatorstroms erweitern, so daß dem Gemisch von geringerer Dichte in der Nähe des Kanalaustritts ein verhältnismäßig großer Strömungsquerschnitt dargeboten wird.

In der bekannten Anordnung sind in einem Reaktorgefäß mit rechteckförmigen Grundriß nebeneinanderliegende, parallele Reihen von Brennstoffelementen angeordnet, wobei sich zwischen den einzelnen Reihen jeweils keilartige Moderatorelemente befinden, die im Querschnitt die Form eines aufrecht stehenden Dreiecks aufweisen, so daß die Brennstoffelemente

Kernreaktor, dessen dampfbildender Moderator
im Naturumlauf zirkuliert

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,

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

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,

München 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:
Seymour George Bankoff,
Pasadena, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 4. November 1958
(771931)

jeweils einer geeigneten Wand gegenüberhegen und sich die zwischen dem Brennstoffelementen und Moderatorteilen gebildeten Kanäle für den Durchtritt des Kühhnittel-Moderator-Gemisches nach oben zu erweitern.

Durch die vorhegende Erfindung wird eine Anordnung geschaffen, bei welcher die Verwendung von festen Moderatorabschnitten nicht erforderlich ist und bei der eine Erweiterung der Kühlmittelkanäle unter besserer Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Raums erfolgt, was unter anderem durch den Wegfall sperriger Elemente, wie der genannten Moderatorkeile, die infolge ihrer breiten Grundfläche einen erheblichen Platzbedarf haben, erzielt wird.

Der Kernreaktor der eingangs genannten Gattung ist dadurch gekennzeichnet, daß diese Kanäle durch Wandungen, deren Oberflächen zur zylindrischen Außenwandung des Kerns konzentrische Kreiskegelstumpfflächen bilden, deren Scheitelpunkte auf einem Punkt der allen konzentrischen Wandungen gemeinsamen Achse hegen, und durch zwischen diesen Wandungen angeordneten Brennstoffplatten gebildet werden, die in Radialebenen hintereinander angeordnet und ausgefluchtet sind.

Infolge der Erweiterung der Kühlmittelkanäle, durch welche der Moderator strömt, bleibt die mittlere

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Geschwindigkeit des Strömungsmittels vom unteren Wandung eines Kühlmittelkanals mit seiner Mittelzum oberen Ende des Kanals verhältnismäßig gleich- achse einschließt, berechnen läßt. Gemäß einer Weitermäßig, so daß die große Zunahme an Reibungs- bildung der Erfindung steht der Winkel β mit dem Verlusten in der Nähe des Kanalaustritts vermieden Maximalwert des Verhältnisses des durch Reibung wird. Bei einem Reaktor mit Naturumlauf bedeutet 5 für eine Mischung von Flüssigkeit und Dampf aufdies, daß die Umlaufgeschwindigkeit wesentlich größer tretenden Druckabfalls Δ P (ο) in einem Kanal mit ist als diejenige eines geradlinigen Kanals üblicher Art geraden, parallelen Wandungen zu dem durch Reibung von der gleichen Länge. für eine Mischung von Flüssigkeit und Dampf auf-Die Erfindung stellt ferner eine Beziehung zur Ver- tretenden Druckabfall Δ P (β) in einem sich erweiternfügung, durch welche sich der Winkel ß, den jede io den Kanal in folgender Beziehung:

Δ P (P) (2-Oj₁

ΔΡ(β) i\ „ , , _η ,Ji₁- « . . m -,-3

19

(l+2j.tg/S)cos/S J I¹ Λ-α+Λ-tgjS)
ο

D₀ ist der hydraulische Durchmesser, wobei L die Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese

Gesamtlänge des Kanals darstellt und D₀ den hydrau- nachfolgende in Verbindung mit den Zeichnungen lischen Durchmesser des Kanals, der durch das Ver- 20 näher beschrieben, und zwar zeigt
hältnis Querschnittsfläche des Kanals zu viermal be- F i g. 1 eine Ansicht im senkrechten Schnitt eines

netztem Umfang definiert ist, wobei K₁ der Hohlraum- Siedewasserreaktors gemäß der Erfindung,

anteil, J₁ das Verhältnis -£- für die Gesamtlänge . F^ig·? ί «^Jscher Daratellung eine Drauf-

D₀ ° sich nach der Schnittlinie 2-2 der F1 g. 1,

des Kanals und j das Verhältnis -£- «r eine mittlere ²⁵ . ^F^- 3 eine Ansicht im senkrechten Schnitt emes

A> der Brennstoffelemente fur den m F1 g. 1 und 2 dar-

Länge des Kanals ist. gestellten Reaktor, wobei der Schnitt nach der Linie 3-3

Der benetzte Umfang und die Querschnittsfläche der F i g. 4 geführt ist,

werden um das untere Ende des Kanals herum F i g. 4 eine Ansicht im Schnitt nach der Linie 4-4

gemessen. Wenn das Verhältnis als Funktion des 30 der F i g. 3,

Winkels β für einen Reaktor mit einem gegebenen F i g. 5 eine Ansicht im senkrechten Schnitt einer

O₁ aufgetragen wird, ist der entsprechende Winkel β zweiten Art eines Brennstoffelements zur Verwendung derjenige, bei welchem das Verhältnis ein Maximum in dem in F i g. 1 und 2 dargestellten Reaktor,
erreicht. Für bestmögliche Ergebnisse beim Erzielen F i g. 6 eine Ansicht im waagerechten Schnitt des

des optimalen Winkels β der Erweiterung wird die 35 in F i g. 3 dargestellten Brennstoffelements nach der Querschnittsgeometrie des Kanals in den Berechnun- Linie 6-6 der F i g. 3,

gen an der senkrechten Mitte kr des Kanals konstant _Λ ^F j& .^{6a ei}^^e Teilansicht im waagerechten Schnitt

2 durch die zweite Art von Brennstoffelement nach der

gehalten. Dies hat zur Folge, daß sich die Querschnitts- Linie 6a-6a der F i g. 5,

geometrie des unteren Endes des Kanals mit jedem 40 F i g. 7 eine Ansicht von unten nach der Linie 7-7 zugeordneten Wert von β verändert und ergibt sich der F i g. 3,

verändernde Werte von J₁ zur Benutzung bei der F i g. 8 eine Teilansicht im Schnitt durch eines der

Darstellung des Diagramms der Funktion. Für jeden Regelglieder des in F i g. 1 und 2 dargestellten Reak-Winkel gibt es jedoch einen bestimmten Wert von J₁, tors nach der Linie 8-8 der F i g. 9,
so daß keine großen Probleme bei den Berechnungen 45 F i g. 9 eine Schnittansicht des Regelgliedes nach der Funktion entstehen. Im Rahmen der Erfindung der Linie 9-9 der F i g. 8,

wurde bei den Berechnungen mehrerer Reaktorkonfi- F i g. 10 eine Ansicht im waagerechten Schnitt

gurationen festgestellt, daß die Funktion einen Höchst- nach der Linie 10-10 der F i g. 8,
wert bei sehr kleinen Winkeln, gewöhnlich im Bereich F i g. 11 eine graphische Darstellung, welche die

unter 1°, erreicht. 50 Beziehung zwischen dem Verhältnis des Zweiphasen-

Bei einem Reaktor mit sich erweiternden Kanälen Reibungsdruckabfalls in einem geraden Kanal zum ist zu erwähnen, daß das Brennstoff-Moderator-Ver- Zweiphasen-Druckabfall bei der gleichen Gewichtshältnis in der Nähe des Kanalauslasses kleiner ist. strömung in einem gleichwertigen, sich erweiternden Dementsprechend ist der Wärmefluß bei einem sich Kanal und den Erweiterungswinkel in Grad zeigt,
erweiternden Kanal geringer als bei einem geraden 55 Fig. 12 eine schaubildliche Darstellung eines abKanal in diesem Teil des Kanals. Auf diese Weise geänderten Reaktorkerns, der ebenfalls die Merkmale wird die kritische Lage am Kanal für das Ausbrennen der Erfindung aufweist.

nach unten vom Kanalauslaß weg verlagert, so daß Der dargestellte Reaktor ist ein wassergekühlter,

eine Annäherung an den idealen Zustand erfolgt, bei wassermoderierter Reaktor, bei dem Eigenstabilität welchem die kritische Lage über die Länge des Kanals 60 als Folge des erhöhten Neutronenverlustes und der verteilt ist. Ferner ist zu erwärmen, daß bei einem Reak- erhöhten Neutronenresonanzabsorption im U-238 bei tor mit einem geraden Kanal ein Leistungsabfluß zu der Bildung von Blasen erreicht wird. Der Reaktor 70 einem Umlauf verlust durch das Austreiben von Strö- ist in einem Hohlraum 72 in einer Betonkonstruktion74 mungsmittel aus beiden Enden der Kühlmittelkanäle angeordnet, wobei eine Wärmeisolation 76 zwischen führen kann. Bei sich erweiternden Kanälen würde 65 dem Reaktor 70 und den Wänden des Hohlraums 72 das Austreiben des Strömungsmittels in erster Linie vorgesehen ist.

aus dem divergierenden Ende derselben bei geringerer Der Reaktor 70 ist mit einem Druckgefäß 82 vernachteiliger Wirkung auf den Umlauf erfolgen. sehen, das eine zylindrische Form hat und senkrecht

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innerhalb des Hohlraums 12 angeordnet ist. Das jedes gleitbar in einem Halterungskanal 117 angeord-Druckgefäß 82 ist mit einem Flansch 83 um sein net ist, der sich durch die Halterung 114 erstreckt. oberes Ende herum versehen, der auf einer durch die Diese herausnehmbaren Brennstoffelemente 116 ent-Betonkonstruktion 74 gebildeten Schulter 84 aufruht. halten durch thermische Neutronen spaltbares Ma-Am oberen Ende des Hohlraums 72 ist ein abnehm- 5 terial zur Aufrechterhaltung der Neutronenkettenbarer Deckel 85 mit Hilfe von zwei Ringkörpern 86 reaktion und bestehen aus zwei Arten 118 und 119. und 87 befestigt, die sich mit einer ringförmigen, am Eine Neutronenkettenreaktion kann nicht mit Uran oberen Ende des Hohlraums 72 ausgebildeten Aus- eingeleitet und unterhalten werden, das den in der nehmung 88 im Verriegelungseingriff befinden. Dich- Natur gefundenen Isotopengehalt innerhalb eines tungsringe 89 dienen zur Isolierung des Inneren des io Wasserkörpers (H₂O) hat. Aus diesem Grunde entReaktors 70 und des Hohlraums 72 von der umgeben- halten die Brennstoffelemente 118 spaltbares Material, den Außenluft. das aus Uran mit dem in der Natur gefundenen Iso-

Das Druckgefäß 82 umschließt einen Behälter 91 topengehalt besteht, während die Brennstoffelemente

und eine Auskleidung 92 aus korrosionsbeständigem 119 spaltbares Material enthalten, das an dem U-235-

Stahl an seiner Innenfläche, um eine Korrosion des 15 Isotop stark angereichert ist, sowie Uran mit dem in

Stahlbehälters 91 zu verhindern. Der Innendurchmesser der Natur gefundenen Isotopengehalt,

der Auskleidung 92 aus korrosionsbeständigem Stahl Aus F i g. 1 und 2 ergibt sich, daß der Kern 95

beträgt etwa 228,6 cm. Das Druckgefäß 82 ruht auf annähernd die Form eines umgekehrten senkrechten

einer zylindrischen Behälterstütze 93 auf, die am Fuß Kegelstumpfes hat. Diese Form ist die Folge der

des Behälters 91 befestigt ist und auf der Beton- 20 besonderen Ausbildung der Brennstoffelemente, in

konstruktion 74 aufruht. Der Fuß des Behälters 91 welchen die in diesen vorgesehenen Kühlmittelkanäle

hat die Form eines Kugelabschnitts 94, der den mit in der Richtung der durch sie hindurchtretenden

95 bezeichneten Reaktorkern innerhalb des Druck- Strömung divergierend kegelig sind, wie nachstehend

gefäßes 82 unterstützt. beschrieben. Für die Benutzung von Brennstoff-

Die Höhe des Druckgefäßes 82 zwischen dem 25 elementen von gleicher Länge für den ganzen Kern

Flansch 83 und dem Kugelabschnitt 94 beträgt etwa ist die Oberfläche 114a der Kernhalterung 114 im

503 cm, gemessen längs der Achse des Druckgefäßes 82. wesentlichen in Form eines Kugelabschnitts und

Das Druckgefäß 82 ist für Drücke bis zu 56,2 kg/cm² konzentrisch zu der Fläche ausgebildet, die durch die

gebaut und wird mit einem Druck von 42,2 kg/cm² oberen Enden der Brennstoffelemente 116 gebildet

betrieben. 30 wird. Die Halterungskanäle 117 sind mit ihren Achsen

Der das Druckgefäß 82 umgebende Hohlraum 72 senkrecht zur Fläche 114a angeordnet, um die Brennhat ebenfalls eine zylindrische Form von etwa 304,8 cm. Stoffelemente in ihrer kegeligen Anordnung zu halten. Die Wärmeisolierschicht 76, die an der Außenfläche Wie ersichtlich, ist die Unterseite 114έ der Kernhaltedes Druckgefäßes angebracht ist, setzt den Verlust an rung 114 ebenfalls im wesentlichen in Form eines Wärmeenergie aus dem Inneren des Druckgefäßes 35 Kugelabschnitts ausgebildet, der zur Oberseite 114a heraus auf ein Mindestmaß herab. Die Wärmeisola- konzentrisch ist.

tion 76 besteht bei der dargestellten Ausführungsform In F i g. 2 stellt die mit 95a bezeichnete gestrichelte

aus Asbest und hat eine Dicke von etwa 30,5 cm. Umrißlinie den Querschnitt des Kerns 95 an seinem

Zwischen der Wärmeisolation 76 und den Oberflächen unteren Ende dar. Die mit 95b bezeichnete vollaus-

des Hohlraums 72 ist ein Luftspalt 96 vorgesehen, der 40 gezogene Umrißlinie in der rechten Hälfte der F i g. 2

das Druckgefäß 82 ebenfalls von der Betonkonstruk- stellt den Querschnitt des Kerns an seiner in F i g. 1

tion 74 thermisch isoliert. mit 100 bezeichneten senkrechten Mitte dar, während

Der ganze Hohlraum 72 ist mit einem Hilfsbehälter die voll ausgezogene Umrißlinie 95c auf der linken

105 aus Stahl ausgekleidet, so daß aus dem Druck- Seite der F i g. 2 den Querschnitt am oberen Ende des

gefäß 82 herausleckende Flüssigkeit im Hilfsbehälter 45 Kerns darstellt.

105 gehalten wird. Ferner ist der Hohlraum 72 von Wie in F i g. 3 bis 5 dargestellt, weisen beide Arten einer Anzahl Kühlmittelrohren 107 in der dem Hilfs- von Brennstoffelementen 118 und 119 an ihrem einen behälter 105 benachbarten Betonkonstruktion 74 um- Ende Einbauschäfte 120 auf, die herausnehmbar geben, durch welche ein flüssiges Kühlmittel, bei der innerhalb der Kanäle 117 in der Halterung 114 andargestellten Konstruktion Wasser, zur Ableitung der 50 geordnet sind. Die Schäfte 120 sind mit Mittelkanälen Wärme fließt, welche in die Betonkonstruktion 74 ein- 121 versehen, welche mit der Außenseite der Schäfte dringt, um eine Zerstörung des Betons zu verhindern. 120 durch drei Öffnungen 122 an dem einen Ende der

Der Deckel 85 ist aus Beton 108 hergestellt und von Schäfte 120 in Verbindung stehen. Die Öffnungen 122 einem Stahlbehälter 108a umgeben. Ferner ist der haben die Form von Kreisabschnitten, welche durch Deckel 85 mit einer ringförmigen Schulter 109 aus- 55 Rippen 123 gebildet werden, die ferner dazu dienen, gebildet, die zur Aufnahme der Verriegelungselemente die Brennstoffelemente 116 innerhalb der Halterung 86 und 87 dient, und an seiner Unterseite mit einem 114 beim Laden in der erforderlichen Weise auskugelig geformten Hohlraum 110 versehen, welcher zurichten.

das obere Ende eines Dampfdomes für das Druck- Bei den Elementen 118 sind zwei Seitenplatten 124 gefäß 82 bildet, wie nachstehend beschrieben. Durch 60 an den entgegengesetzten Seiten der Schäfte 120 anden Deckel 85 erstrecken sich mittels Dampfdich- gebracht, die sich zu einem rechteckigen Austrittstungen 113 eine Vielzahl von Regelstabantriebsvor- anschlußstück 126 erstrecken, wie in F i g. 6 darrichtungen 111 für die Regelstäbe 112. gestellt. Die Seitenplatten 124 sind je mit vier Ein-

Der Reaktorkern 95 ruht auf einer zylindrischen tiefungen 127 versehen, wobei die Eintiefungen ein-Kernhalterung 114 auf, die mit Ständern 115 versehen 65 ander gegenüberliegender Platten einander gegenüberist, welche am Boden 94 des Druckgefäßes 82 befestigt liegen. Zwischen den Seitenplatten 124 sind vier sind. Der Kern 95 wird durch eine Vielzahl heraus- Platten 128, deren Dicke annähernd gleich der der nehmbarer Brennstoffelemente 116 gebildet, von denen Eintiefungen ist, angeordnet und in den einander

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gegenüberliegenden Eintiefungen 127 verankert. Die Uran-Zirkon-Legierung in Form von zwei Platten 141 Eintiefungen 127 sind in den Seitenplatten 124 so mit einer Länge von 81,3 cm und einer Dicke von herausgearbeitet, daß die Räume oder Kanäle 128a 1,29 mm, die voneinander durch ein Zirkonzwischenzwischen benachbarten Platten 128 in Richtung nach stück 142 getrennt sind, das eine Dicke von 6,985 mm oben kegelig divergieren, wie in F i g. 3 gezeigt. Die 5 und eine Länge von 81,3 cm hat und in F i g. 6 a dar-Seitenplatten 124 sind in ihrer Breite in Anpassung gestellt ist. Die Legierung enthält 5 % Uran und 95 °/₀ an die kegelige Anordnung der Platten 128 ebenfalls Zirkon, wobei das Uran an dem U-235-Isotop ankegelig. Aus Fig. 4 ergibt sich, daß die Platten 128 gereichert ist, so daß es 93,5°/₀ des Urans in der in ihrer Breite kegelig sind, so daß die Kanäle 128a Legierung bildet. Jeder der Teile 140a und 140c hat in ihrer Breite in Richtung nach oben kegelig diver- io eine Länge von etwa 20,3 cm, während der Teil 140 gieren. Die kegeligen Kanäle 128a sind entsprechend eine Länge von etwa 81,3 cm hat. Der gesamte Körper den vorangehend gegebenen Lehren vorgesehen. 140 ist mit einem Mantel 134 aus Zirkon mit einer

Die Elemente 118 haben Seitenplatten 124, die aus Dicke von 0,508 mm überzogen. Jede Platte 138 hat

Zirkon bestehen, mit einer Dicke von etwa 3,18 mm eine Dicke von etwa 9,5 mm und eine Breite von etwa

und einer Länge von 132 cm, wobei der Abstand der 15 95,3 mm an der senkrechten Mitte 100, und die Seiten

Seitenplatten 124 an der senkrechten Mitte 100 des erweitern sich mit einem Winkel von ¹^⁰ mit der

Kerns 92 mm beträgt. Jede der Seitenplatten 124 er- Mittellinie der Platte.

weitert sich mit einem Winkel von etwa ¹^⁰ von der Die Kanäle 117 der Kernhalterung 114 sind so ansenkrechten Achse des Brennstoffelements 118. Die geordnet, daß die Elemente 116 aneinander anliegen, Platten 128 haben eine Dicke von etwa 9,5 mm und 20 so daß die uranhaltigen Platten 128 und 138 annähernd einen Abstand von etwa 15,9 mm voneinander an der gleiche Abstände voneinander haben und im wesentsenkrechten Mitte 100 des Kerns. Jede Platte 128 ist liehen, wie in F i g. 2 dargestellt, angeordnet sind, daß mit einem Winkel von etwa ^χ/₄° mit Bezug auf die sie annähernd einen umgekehrten senkrechten Kegel-Mittellinie der ihr benachbarten Kanäle 128a an- abschnitt bilden, wie vorangehend erwähnt,
geordnet. Jede der Platten 128 hat eine Länge von 25 Die Brennstoffelemente 116 sind in Reihen an-121,9 mm und eine Breite von 95,3 mm an der senk- geordnet, wobei die Seitenplatten 124 benachbarter rechten Mitte 100 des Kerns und erweitert sich in ihrer Reihen aneinander anliegen und insgesamt sechzehn Breite mit einem Winkel von etwa ¹Z₄ ⁰ mit der senk- Reihen vorgesehen sind. Aus F i g. 2 ergibt sich, daß, rechten Mittellinie der Platte in Anpassung an die gesehen von unten, die erste mit 143a bezeichnete kegelige Anordnung der Seitenplatten 124. Jede der 30 Reihe zwei Brennstoffelemente 118 enthält, die zweite Platten 128 besteht aus einem Körper 129 und einem Reihe 143b fünf Brennstoffelemente 118, die dritte Überzug 130. Der Überzug 130 hat eine Dicke von Reihe 143c acht Brennstoffelemente 118, die vierte 0,508 mm und besteht aus Zirkon. Der Körper 129 Reihe 143a" sieben Brennstoffelemente 118 und zwei besteht aus 93¹I₂ ⁰I₀ Uran mit dem in der Natur ge- mittig in der Reihe angeordnete Elemente 119, die fundenen Isotopengehalt, 5 % Zirkon und IVa⁰Zo Niob. 3S nächste Reihe 143e neun Elemente 118 und drei

Die Kernhalterung 114 besteht aus korrosion^ Elemente 119, wobei die drei Elemente 119 durch

beständigem Stahl und hat eine Dicke von etwa 51 cm. Elemente 118 getrennt und zwischen vier Elementen

Die Schäfte 120 der beiden Brennstoffelemente 118 118 an dem einen Ende und drei Elementen 118 am

und 119 weisen ringförmige Teile 131 auf, die in die anderen Ende der Reihe angeordnet sind. Die nächste

Kanäle 117 der Halterung passen und rechteckige 40 Reihe 143/ enthält acht Elemente 118 und vier EIe-

Teile 132 an den Seitenplatten 124. Der Durchmesser mente 119, wobei die vier Elemente 119 durch EIe-

der ringförmigen Teile 131 ist geringfügig kleiner als mente 118 voneinander getrennt sind und zwischen

der Durchmesser der Kanäle 117 in der Kernhalterung drei Elementenll8 an dem einen Ende der Reihe 143/

114 und beträgt etwa 88,9 mm. Die rechteckigen und zwei Elementen am anderen Ende der Reihe 143/

Teile 132 erweitern sich in Anpassung an die Ver- 45 angeordnet sind. Die nächste Reihe 143g enthält

breiterung der Seitenplatten 124. Der obere Austritts- sieben Elemente 118 und fünf Elemente 119, wobei die

ansatz 126 ist hohl und in seiner Form rechteckig, fünf Elemente 119 zwischen Elementen 118 angeordnet

wobei die Maße dem oberen Ende der Seitenplatten sind und sich zwei Elemente 118 an dem einen Ende

124 angepaßt sind. In jedem Austrittsansatz 126 ist der Reihe 143g befinden und ein Element am anderen

eine Vielzahl von Öffnungen 133 vorgesehen, während 50 Ende der Reihe angeordnet ist. Die folgende Reihe

das rechteckige Ende offen ist und eine Austritts- 143A enthält neun Elemente 118 und fünf Elemente

öffnung 134 bildet. Der Austrittsansatz 126 besteht aus 119, wobei die fünf Elemente 119 zwischen Elementen

korrosionsbeständigem Stahl und hat eine Länge von 118 angeordnet sind und sich zwei Elemente 118 an

etwa 10,2 cm. ■ dem einen Ende der Reihe 143/z befinden, während

Die Brennstoffelemente 119 weisen die gleichen 55 drei Elemente 118 am anderen Ende der Reihe 143h

Schäfte 120 und Austrittsansätze 126 sowie die Seiten- angeordnet sind. Die vorstehend gegebenen Angaben

teile 124 wie die entsprechenden Teile der Brennstoff- beziehen sich auf die untere Hälfte des Kerns 95 (ge-

elemente 118 auf. Die Endstücke haben die gleiche sehen in F i g. 2), die obere HaKe des Kerns 95 ist,

sich erweiternde Breite sowie Eintief ungen 127 zur wie sich aus F i g. 2 ergibt, in ähnlicher Weise gestaltet.

Aufnahme von Platten 138. Zwischen den Platten 138 60 Der Reaktor ist ferner mit zwölf neutronenabsorbie-

befinden sich kegelige Kanäle 138a, die nach oben renden Regelgliedern 112 versehen. Die Regelglieder

divergieren, wobei der Erweiterungswinkel etwa ¹I^ H2 sind mit Verlängerungsstäben 144 der Regel-

von der Mittellinie des Kanals beträgt. antriebsvorrichtung 111 verbunden, welche sich durch

Jede der Platten 138 hat einen Körper 140, der aus Dampf dichtungen 113 im Reaktordeckel 85 erstrecken,

drei Teilen 140a, 140b und 140c besteht. Der Teil 140a 65 Die Regelglieder 112 sind gleitbar in rohrförmigen

sowie der Teil 140c bestehen aus 93¹I₂ ⁰I₀ natürlichem Gehäusen 147 gelagert (F i g. 8, 9 und 10), welche

Uran, 5°/₀ Zirkon und I¹I₂ ⁰I₀ Niob in Form einer im Kern 95 des Reaktors in einer nachstehend näher

rechteckigen Platte. Der Teil 1405 besteht aus einer beschriebenen Weise voneinander in Abstand gehalten

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werden. Die rohrförmigen Gehäuse 147 haben recht- ebenso die nächstfolgende Reihe 143/. Die folgende eckige Form und sind mit Lochungen 149 versehen. Reihe 143g enthält jedoch vier Regelglieder, wobei die Die Gehäuse 147 bestehen aus Zirkon und haben beiden äußeren mit drei Brennstoffelementen 116 Wände mit einer Dicke von etwa 6,3 mm. Die Ver- zwischen sich und den Enden der Reihe 143g anlängerungsstäbe 144 bestehen ebenfalls aus Zirkon und 5 geordnet sind und jedes der beiden anderen Regelhaben einen Durchmesser von etwa 12,7 mm. Die glieder 112 durch ein Brennstoffelement 118 und ein Regelglieder 112 selbst haben die Form von Platten Brennstoffelement 119 voneinander getrennt sind. Die 150, deren Dicke 6,3 mm beträgt und die mit einem nächste Reihe 143A enthält wiederum kein Regelglied Überzug 151 aus rostbeständigem Stahl von einer 112. Die vorstehende Beschreibung gilt für die untere Dicke von 0,5080 mm versehen sind. Die Regelglieder io Hälfte des Kerns 95, die obere Hälfte ist ähnlich, wie 112 haben eine Länge von etwa 0,91 m und eine Breite sich aus F i g. 2 ergibt.

von 88,9mm an der senkrechten Mitte 100 des Reale- In Fig. 11 ist eine graphische Darstellung ge-

torkerns 95. Die Regelglieder sowie die rohrförmigen geben, in welcher die Funktion für das Verhältnis R'

Gehäuse 147 erweitern sich in ihrer Breite um ^X/₄ ^O in des Zweiphasen-Reibungsdruckabfalls in einem gleich-

Anpassung an die Erweiterung der umgebenden 15 wertigen geraden Kanal zum Zweiphasendruckabfall

Brennstoffelemente 116. Die Regelstabantriebsvorrich- bei der gleichen Gewichtsströmungsgeschwindigkeit in

tungen 111 können von an sich bekannter Art sein, einem sich erweiternden Kanal für den vorangehend

bei welcher die Stellung der Regelstäbe 112 genau beschriebenen Reaktor dargestellt. Wie ersichtlich,

gesteuert werden kann, jedoch ein rasches Einsetzen liegt das Maximum der Funktion bei einem Winkel β

der Regelstäbe in betriebssicherer Weise im Falle einer 20 zwischen 15 bis 20 Minuten, worauf sie rasch abfällt

Exkursion der Kernreaktivität ermöglichen. und bei einem Winkel von etwa 30 Minuten unter den

Wie sich aus F i g. 2, ebenfalls von unten aus ge- Wert Eins abfällt. Die physikalische Interpretation

sehen, ergibt, enthält die erste Reihe 143a der Brenn- für diesen raschen Abfall besteht darin, daß, wenn der

Stoffelemente 116 keine Regelglieder 112. Das gleiche Erweiterungswinkel zunimmt, die Drosselwirkung am

gilt für die zweite Reihe 1436 und die dritte Reihe 143c. 25 Kanaleinlaß die Herabsetzung des Reibungsverlustes

Die vierte Reihe 143d enthält jedoch zwei ■ Regel- in der Nähe des Kanalauslasses mehr als ausgleicht,

glieder 112, die von den Enden der Reihe 14So" einen In der nachfolgenden Aufstellung sind einige der

Abstand von drei Brennstoffelementen 116 haben. Die wichtigsten Konstruktionsmerkmale des vorangehend

nächstfolgende Reihe 143e enthält keine Regellgieder, beschriebenen Reaktors gegeben:

Längsdruckgefäß 228,5 cm Durchmesser — 502,8 cm Höhe

Druck im Druckgefäß .„ 42,2 kg/cm²

Moderator H₂O

Volumenverhältnis vom H₂O: U 2,5:1

Kerndurchmesser 137,1 cm an der senkrechten Mitte 100

Kernhöhe 121,9 cm

Höchsttemperatur der Brennstoffelement-Oberfläche 268,4° C

Maximale Brennstoffelement-Kerntemperatur 321,6°C

Reaktorleistung 20 000 kW

Generatorleistung 5 000 kW

Wirkungsgrad 25 °/₀

Kernvolumen 18001 insgesamt

Mittlere Leistungsdichte 11 kW/1 des Kerns —

18 kW/1 des Kühlmittels

Maximale Leistungsdichte 24 kW/1 des Kerns —

39,5 kW/1 des Kühlmittels

Sattdampfstrom 7,619 lcg/Sek.

Speisewasserzufuhr 454 l/Min.

Kondensatrücklauftemperatur 43,3°C

Durchschnittlicher Dampf blasengehalt im austretenden Kühlmittel 20%

Höhenanteil beim Sieden 65 %

Mittlerer Dampfblasengehalt für den Kern 6,5 °/₀

Maximaler Wärmefluß 407 040 kcal/m²h

Inneres Umlaufverhältnis, d. h. das Verhältnis der Wassermassenströmung zur Dampfmassenströmung im Reaktor .. 140:1

Brennstoffelemente 118 Platten mit einer Dicke von etwa 9,53 mm

93,5 °/₀ natürliches Uran + 5 °/₀ Zr + 1 V/o Nb 0,0508 mm Zirkonüberzug, Höhe 121,9 cm,

15,88 mm Wasserkanal mit einer Erweiterung von V4⁰

Brennstoffelemente 119 Enden aus natürlichem Uran mit einer Länge

von 20,32 cm

Claims (1)

11 12

30 Aggregate in der Mittelzone des Reaktors Angereicherte Zone 81,28 cm lang

Zr-U-235-Legierung-PIatten
Zirkonüberzug — 0,25 mm
Körper — 2,03 mm, 5% U-235,
95 % Zr Wasserkanal 15,88 mm

Kritische Masse — Betrieb plus Abbrand des angereicherten
Brennstoffs 10 kg — U-235 und 5,443 t natürliches Uran

Leistungsverteilung

Leistung des angereicherten Urans 25 °/₀

Leistung des natürlichen Urans 75°/₀

Sicherheit und Regelung 12 Bor-Stahl-Regelstäbe im Kern. Abbrand

durch Zusetzen von U-235-Brennstoff.
Übergangszustand durch Einsetzen des
Neutronenfangregelstabes

Ak in den Dampfblasen (Betrieb) 0,5 %

Ak der Temperatur 2,1 %

Ak bei 20% Dampfblasen 4,9% heiß oder 0,7% kalt

Ak bei 50% Dampfblasen 8,5% heiß oder 6,3% kalt

A Ausdehnung des Urans als Folge einer Leistungsexkursion,
welche Wasser austreibt und die Resonanzabsorption vor
dem Schmelzen des Brennstoffs erhöht 0,17% k

Wirkung der Entnahme eines Regelstabes 1 % k

Wirkung der Hinzufügung eines angereicherten Brennstoff- ■
Stabes 0,4% k im Mittel oder 1,0% maximal

Mittlere Lebensdauer der prompten Neutronen 5 · 10""° Sekunden

Radialer Fluß, d. h. das Verhältnis des maximalen Flusses
thermischer Neutronen zum mittleren Fluß thermischer
Neutronen in einer waagrechten Ebene 2,2

Axialer Fluß, d. h. das Verhältnis des maximalen Flusses thermischer Neutronen zum mittleren Fluß thermischer Neutronen längs der Mittelachse des Reaktors 1,43

Neutronenfluß (im Mittel) 10¹³ n/cm²/Sek.

Fig. 12 zeigt eine andere Ausführungsform des Patentansprüche:
Kerns nach den durch die Erfindung gegebenen 1. Kernreaktor, dessen dampfbildender Mode-Lehren. Der Kern 400 weist einen Außenmantel 402 rator im Naturumlauf zirkuliert und dessen Kern in Form eines senkrechten kreisförmigen Kegel- 4° Kanäle aufweist, die vom Moderator durchströmt stumpfes auf. Innerhalb des Außenmantels 402 ist eine werden und sich in Richtung des Moderatorstroms Reihe von Abstandsstücken angeordnet, die aus erweitern, dadurch gekennzeichnet, Mänteln 404 in Form von geraden kreisförmigen daß diese Kanäle durch Wandungen, deren Ober-Kegelstümpfen bestehen und mit dem Außenmantel flächen zur zylindrischen Außenwandung des Kerns eine gemeinsame Spitze und eine gemeinsame Achse 45 konzentrische Kreiskegelstumpfflächen bilden, dehaben. Brennstoffelemente 406 sind zwischen jedem ren Scheitelpunkte auf einem Punkt der allen der Abstandsstücke 404 und zwischen dem Außen- konzentrischen Wandungen gemeinsamen Achse mantel 402 und dem äußersten Abstandsstück 404 liegen, und durch zwischen diesen Wandungen angeordnet, wobei sich jede Platte von der Kernachse angeordnete Brennstoffplatten gebildet werden, die radial nach außen erstreckt. Jede Platte erweitert sich 50 in Radialebenen hintereinander angeordnet und notwendigerweise in ihrer Breite, wie in F i g. 12 ge- ausgefluchtet sind.

zeigt. Ferner müssen die Platten eine zunehmende 2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch ge-Dicke haben, welche mit zunehmendem Abstand von kennzeichnet, daß der Winkel ß, den jede Wandung der Kernmitte zunimmt, um Kanäle 408 von recht- eines Kühhnittelkanals mit seiner Mittelachse eineckigem Querschnitt zwischen benachbarten Brenn- 55 schließt, durch den Maximalwert des Verhältnisses stoffplatten 406 aufrechtzuerhalten. Unter Berück- des durch Reibung für eine Mischung von Flüssigsichtigung der durch die Erfindung gegebenen Lehren keit und Dampf auftretenden Druckabfalls AP (0) können natürlich auch andere Gestaltungen für den in einem Kanal mit geraden, parallelen Wandungen Reaktorkern vorgesehen werden. zu dem durch Reibung für eine Mischung von

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und 60 Flüssigkeit und Dampf auftretenden Druckabfall

beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, son- AP (β) in einem sich erweiternden Kanal definiert

dem kann innerhalb ihres Rahmens verschiedene Ab- ist, wobei sich dieses Verhältnis mittels folgender

änderungen erfahren. Formel errechnen läßt:

Δ PiP) (2 - «Μ

AP(S) Λ 19 ο '

^{2 (1} -^Äl) J [(l+2₇.tg/?)cosH ί¹ Λ-α+Λ-tgÄ
0

wobei L die Gesamtlänge des Kanals darstellt und D₀ den hydraulichen Durchmesser des Kanals, der durch das Verhältnis Querschnittsfläche des Kanals zu viermal dem benetzten Umfang definiert ist, wobei ferner Oc₁ der Hohlraumanteil, y_x das Verhältnis -=— für die Gesamtlänge des Kanals und y das Verhältnis
Kanals ist.

für eine mittlere Länge des

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1027 338; belgische Patentschrift Nr. 555 025; britische Patentschrift Nr. 793 919.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

507577/339 5.66 ® Bundesdruckerei Berlin