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Kernreaktor mit langgestreckten Brennelement- und Brutstoffeinheiten
Beim Betrieb von heterogenen Leistungsreaktoren ist das Be-, Ent- und Umladen von
Brennelementen mit großen Kosten und meist mit unerwünschten Betriebsunterbrechungen
verbunden, insbesondere deshalb, weil beim Hantieren mit Brennelementen die Wahrscheinlichkeit
für einen Reaktorunfall besonders hoch ist, so daß kostspielige, die Bedienung erschwerende
Sicherheitsvorrichtungen vorgesehen werden müssen.
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Bei thermischen Leistungsreaktoren sind zur Lösung der Probleme des
Be-, Ent- und Umladens von Brennelementen und der damit zusammenhängenden Sicherheitsfragen
bereits verschiedene Verfahren und Vorrichtungen ausgeführt worden, die aber keineswegs
restlos befriedigen. Bei »schnellen« Leistungsreaktoren sind diese Probleme aus
zwei fundamentalen Gründen noch erheblich komplizierter, weshalb die bei thermischen
Reaktoren entwickelten Lösungen praktisch nicht anwendbar sind. Hier ist folgendes
zu beachten: 1. Die Generationszeit der Neutronen in einem schnellen Reaktor ist
um einen Faktor 104 bis 105 kleiner als in thermischen Reaktoren, so daß, wenn auf
Grund eines »kleinen« Unfalls beim Be-, Ent- oder Umladen eine prompte überkritikalität
zustande kommt, die rasche Neutronenvermehrung durch konventionelle Sicherheitssysteme
nicht mehr aufgefangen werden kann. 2. In schnellen Leistungsreaktoren muß für einen
wirtschaftlichen Betrieb die Leistungsdichte (Kilowatt pro Kilogramm Brennstoff)
erheblich höher sein als in thermischen Reaktoren, so daß das bei schnellen Reaktoren
ohnehin schon sehr viel gefährlichere und kostspieligere Be-, Ent-und Umladen von
Brennelementen überdies noch erheblich häufiger vorgenommen werden muß als bei entsprechenden
thermischen Reaktoren.
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Bei der Entwicklung von ökonomischen schnellen Leistungsreaktoren
sind also im Hinblick auf die Handhabung von Brennstoffelementen die folgenden drei
Probleme zu lösen: I. das Problem des sicheren Be-, Ent- und Umladens zur Vermeidung
eines Reaktorunfalles, II. das Problem des möglichst selten erforderlichen Be-,
Ent- und Umladens (um die kostspieligen und betriebsunterbrechenden Einrichtungen
von I nicht zu häufig in Anspruch nehmen zu müssen), III. das Problem des sicheren
Einbaues der erforderlichen (im allgemeinen großen) Reaktivitätsreserve. Die bereits
gebauten oder geplanten Anlagen von schnellen Brut-Leistungsreaktoren lösen die
genannten Probleme nur zum Teil, und zwar auf folgenden Wegen: 1. In einer Parameterstudie
über einen schnellen Brutleistungsreaktor mit PuO2-U0, als Brennstoff wird die Beimengung
von so viel U238-Oxyd zur Brennsubstanz im Kern erwogen, daß der Abbrand praktisch
von der internen Brutrate gedeckt wird, so daß nur noch eine ganz geringe Reaktivitätsreserve
erforderlich ist, um den Reaktor über eine längere Zeit kritisch zu erhalten. Damit
sind die Probleme Il und III im wesentlichen gelöst, nicht dagegen das Problem I.
Darüber hinaus hat das Verfahren des Einbaues einer großen internen Brutrate den
Nachteil, daß es sehr große Erstausstattungsmengen an Plutonium erfordert.
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2. In einem anderen Projekt ist vorgesehen, spezielle Gruppen von
Brennelementen anfangs ein gewisses Stück (etwa 100/,o ihrer Länge) in den axialen
unteren Brutmantel hineinragen zu lassen und durch Heraufziehen dieser Brennelementgruppen
in den Kern den Reaktivitätsverlust durch Abbrand auszugleichen. Auf diese oder
eine in dieser Richtung verfeinerte Weise kann das Problem 111 gelöst werden, nicht
dagegen die Probleme I und II.
Ein drittes Verfahren ist die Benutzung
von verschiebbaren Reflektoren zwischen dem.Reaktorkern und dem Brutmantel. Der
Reaktorkern, die Reflektoren und der Brutmantel sind dabei so ausgelegt, daß bei
vollständigem Einschieben der Reflektoren zum Zeitpunkt .der Erstbeladung der Reaktor
stark überkritisch sein würde, bei vollständigem Herausziehen der Reflektoren dagegen
leicht unterkritisch. Offensichtlich kann dann durch langsames Hineinschieben der
Reflektoren der Reaktor über längere Zeit kritisch gehalten werden. Dieses Verfahren
löst zwar die Probleme II und III, hat aber den Nachteil, daß durch das Hineinschieben
der Reflektoren zwischen Kern und Brutmantel zwar die Kritikalität aufrechterhalten
werden kann, daß dadurch aber gleichzeitig der Bruteffekt im Brutmantel reduziert
wird, wodurch der Reaktor mit wachsendem Abbrand immer stärker seinen Charakter
als Brutreaktor verliert. --- Der bekannte Stand der Technik kann somit dahingehend
zusammengefaßt werden, daß es bekannt ist, Brutstoffelemente um zentrale Brennstoffelemente
anzuordnen, und daß Brutstoffeinheiten im Betrieb ein unterschiedliches Reaktivitätsverhältnis
bekommen können., weil ja die der Spaltzone zugewandten Teile der Einheiten stärker
bestrahlt werden als die der Spaltzone abgewandten. Aus diesem Grunde werden bei
den bekannten Einrichtungen die Brutstoffeinheiten im Betrieb laufend gedreht, so
daß es zii einer unterschiedlichen Strahlenbeeinflussung der einzelnen Sektoren
dieser Brutelemente praktisch nicht kommen kann.
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Auch bei dem Kernreaktor nach der Erfindung mit langgestreckten Brennelementeinheiten
und gegebenenfalls um diese herum angeordneten Brutstoffeinheiten sind mindestens
einige der Brutstoffeinheiten um ihre Längsachse drehbar ausgebildet. Gemäß der
Erfindung ist jedoch zu einer dem Abbrand angepaßten Regelung der Reaktivität wenigstens
ein Teil der drehbaren Brenn- bzw. Brutstoffeinheiten, über ihren Querschnitt gesehen,
nur teilweise mit Brenn-oder Brutstoff gefüllt, wobei die Brenn- bzw. Brutstoffbeladung
exzentrisch zur Drehachse der Einheiten liegt. Damit wird mit verhältnismäßig einfachen
Mitteln sowohl ein sicheres Be- und Entladen von Brennstoff als auch der Einbau
einer großen Reaktivitätsreserve ohne Umladen von Brennelementen mit .einer einfachen
Brennstoffverschiebung ermöglicht. Durch Drehen der Brutelemente kann daher Brenn-
oder Brutstoff in den Kern hinein- und aus diesem herausgedreht oder auch innerhalb
des Kernes-verschoben werden.
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Zum besseren Verständnis sei die Erfindung in Anwendung auf einen
Brutreaktor an Hand der Zeichnungen, die drei Ausführungsbeispiele schematisch im
Querschnitt wiedergeben, näher erklärt. (Die Kühl- und Struktursubstanzen und Zusatzeinrichtungen
sind in diesen schematischen Zeichnungen zugunsten einer klaren Darstellung fortgelassen.)
In der F i g. 1 ist die Trommel 1 von zwei Trommelkränzen, bestehend aus den Trommeln
4 bis 7 und 9 bis 14, umgeben, die alle um ihre Achse drehbar sind. In den Trommeln
1 bis 7 ist Brennstoff und in den Trommeln 9 bis 14 Brenn- und Brutstoff in irgendeiner
Form (z. B. in Form von Stäbchen) untergebracht, und zwar sind diese Trommeln so
mit Brennstoff beladen, daß in der in F i g. 1 wiedergegebenen Stellung innerhalb
des Kernkreises 8 nur Brennstoff (senkrechte Schraffierung) und außerhalb dieses
Kreises Brutstoff (waagerechte Schraffierung) eingefüllt ist. Um diese drehbaren
Trommeln ist innerhalb des Kreises 15 ein fester, d. h. nicht drehbarer Brutmantel
16 angebracht.
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In F i g. 2 sind diese Trommeln 9 bis 14 so um ihre Achse gedreht,
daß ihr Brennstoffteil dem Kern abgewandt ist und ein Teil des in diesen Trommeln
untergebrachten Brutstoffs in den Kreis 8 hineinragt. Die Beladung ist so gewählt,
daß der Reaktor in dieser Trommelstellung unterkritisch, in derjenigen der F i g.
3, bei der ein Teil des Brennstoffs in den Kernkreis 8 hineinragt, gerade kritisch
ist. Würden die Trommeln weiter bis in die Stellung der F i g. 1 gedreht, dann wäre
der Reaktor stark überkritisch, da dann der gesamte Brennstoffinhalt völlig im Kern
konzentriert wäre. Die Trommeln 9 bis 14 haben also den großen Vorteil, daß man
eine große überschußreaktivität vorsehen kann, ohne diese durch nutzlose Neutronenabsorption
in den Regelstäben reduzieren zu müssen, solange sie zur Abbrandkompensation noch
nicht gebraucht wird. Der Verlust an Reaktivität durch Abbrand wird also durch Drehen
der Trommeln 9 bis 14 ausgeglichen und nicht durch Herausziehen absorbierender Regelstäbe.
Bei geeigneter Dimensionierung und Beladung kann auf diese Weise der durch den Abbrand
hervorgerufene Reaktivitätsverlust über eine für wirtschaftlichen Betrieb hinreichend
lange Abbrandzeit ausgeglichen werden.
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Ebenso ist ohne weiteres verständlich, daß durch Drehen der Trommeln
2 bis 7 ein Verschieben des Brennstoffs in Richtung kleinerer oder größerer Abstände
von Kernzentrum erreicht wird, was einer Brennstoffumladung gleichkommt, aber wesentlich
einfacher und gefahrloser durchzuführen ist als das Herausnehmen von Brennstoffelementen
und deren Wiedereinführen in andere Positionen.
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Die Beladung des Reaktors geschieht zweckmäßig durch Einführung der
vorher gefüllten Trommeln, derart, daß die Trommeln in der in F i g. 2 dargestellten,
.gegenüber F i g. 1 gedrehten Position. eingesetzt werden. Ebenso werden die Trommeln
vor dem Entladen in die Stellung der F i g. 2 gedreht. Damit ist man beim Be- und
Entladen hinreichend weit vom kritischen Zustand entfernt und vermeidet so a11 die
normalerweise damit verknüpften Gefahrenmomente.
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Durch Drehung der Trommel 1 kann ein eventuell ungleichmäßiger Abbrand
in azimutaler Richtung ausgeglichen werden. Da bei geeigneten Betriebsvorschriften
die genannte Abbrandunsymmetrie für die zentrale Trommel praktisch vermieden werden
kann, ist es in diesem Fall sinnvoll, auf die Drehbarkeit der zentralen Trommel
1 zu verzichten und diese mit rosetten- oder sternförmigem Querschnitt auszubilden,
wodurch dann die Hohlräume zwischen der zentralen Trommel l und dem anliegenden
Trommelkranz ausgefüllt werden und die durch diese Hohlräume erhöhte Neutronenleckage
vermieden wird.
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Die Drehvorrichtungen aller Trommeln werden so ausgelegt, daß eine
festgelegte obere Grenze der Drehgeschwindigkeit der Trommeln auf keinen Fall überschritten
werden kann.
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Wenn nicht aus besonderen Gründen, z. B. mit Rücksicht auf eine getrennte
Kühlung der einzelnen Trommeln, ein geschlossener Trommelmantel erforderlich
ist,
wird zweckmäßig zur Verringerung der Neutronenverluste das zur Verbindung von Boden-und
Deckplatte der Trommeln erforderliche Strukturmaterial auf das allernotwendigste
Maß beschränkt.
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Als Brennstoff wird in die Trommeln entweder reine spaltbare Substanz
oder eine homogene oder heterogene Mischung von Brenn- und Brutstoff mit bevorzugter
Brennstoffunktion eingefüllt.
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Von diesem beschriebenen Grundtypus sind viele Variationen möglich
und zweckmäßig. Als weitere Beispiele seien kurz die in den F i g. 4, 5 und 6 dargestellten
Ausführungen beschrieben: Bei der in F i g. 4 dargestellten Ausführung ist die Anzahl
der drehbaren Trommeln auf sechs beschränkt und ein - verglichen mit F i g. 1 -
erheblich größerer Brennstoffanteil in solchen Trommeln untergebracht, die außerdem
auch noch Brutstoff enthalten. Das hat den Vorteil, daß erheblich größere Reaktivitätsreserven
eingebaut werden können als bei dem Grundtypus nach F i g. 1. Außerdem ist wegen
der geringeren Anzahl der drehbaren Trommeln der zur Drehung erforderliche technische
Aufwand entsprechend verringert.
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In F i g. 5 ist eine Ausführungsvariation dargestellt, bei der das
Schwergewicht auf den durch Trommeldrehung vereinfachten Brennstoffumladungen liegt.
Die äußeren Kern- und Brutmantelpartien können ähnlich wie beim Grundtypus der F
i g. 1 gestaltet werden. Die Trommeln 17, 18 und 19 enthalten nur Brennstoff.
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Ebenso ist es möglich, nur einen kleinen Teil des Brenn- und Brutstoffs
in einer oder einigen wenigen drehbaren Trommeln unterzubringen, womit man eine
Anordnung erhält (s. F i g. 6), die nur einen Teil der obengenannten Vorteile der
Brenn- und Brutstoffunterbringung in drehbaren Trommeln ausnutzt, dafür aber den
für die Drehung erforderlichen technischen Aufwand in engen Grenzen hält.
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Je nach den Erfordernissen können alle Trommeln oder gegebenenfalls
nur ein Teil der Trommeln zum Regeln oder Abschalten verwendet werden.
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Es ist zweckmäßig, die Trommeln mit gleichem Durchmesser auszuführen.
In besonderen Fällen kann es sich aber als notwendig erweisen, verschiedene Durchmesser
zu wählen.
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Weiter kann auch in allen oder einigen Brennstoff-bzw. Brutstofftrommeln
der Brenn- bzw. Brutstoff in axialer Richtung unterteilt untergebracht werden, derart,
daß einzelne Teile für sich ausgewechselt oder umgestülpt werden können.
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Die vorstehend beschriebene Erfindung ist aber nicht nur bei schnellen
Leistungsreaktoren anwendbar, sondern ebenso auch bei thermischen und intermediären
Leistungsreaktoren und bei schnellen, intermediären und thermischen Forschungsreaktoren.
Dabei ist die beschriebene Ausführung den besondexen Verhältnissen dieser Reaktoren
anzupassen.