DE1228352B

DE1228352B - Kernreaktor

Info

Publication number: DE1228352B
Application number: DEU6107A
Authority: DE
Inventors: Michael Treshow
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1958-04-04
Filing date: 1959-04-04
Publication date: 1966-11-10
Also published as: FR1229841A; GB871897A; NL108358C; NL236251A; BE576979A; US2999059A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G21d

Deutsche KL: 21g-21/31

Nummer: 1228 352

Aktenzeichen: U 6107 VIII c/21 g

Anmeldetag: 4. April 1959

Auslegetag: 10. November 1966

Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor mit einem Kern, bestehend aus einem flüssigen siedenden Kühlmittelmoderator, in dem vertikale Brennelemente in Form eines geometrischen Gitters angeordnet sind und in dem parallel zu den Regelelementen einen flüssigen Regelmoderator mit freiem, veränderbarem Flüssigkeitsspiegel enthaltende Regelrohre angeordnet sind, bei dem der Kern bezüglich der Brennelemente und der Kühlmittelmoderatorflüssigkeit unterkritisch ist.

Derartige Siedewasserreaktoren zur Erregung nutzbarer Kernenergie sind bekannt. Bei diesen wird dadurch Dampf erzeugt, daß der Moderator im aktiven Teil des Reaktors zum Sieden gebracht wird. Der hierbei erzeugte Dampf kann unmittelbar zur Leistung nutzbarer Arbeit verwendet werden. Unter bestimmten Bedingungen reicht die Bildung von Hohlräumen im Moderator in Form von Dampfblasen bei einer Zunahme der Reaktivität aus, das Entstehen gefährlicher Betriebsbedingungen im Reaktor durch Vermindern der Reaktivität zu verhindern. Ein sich in der beschriebenen Weise verhaltender Reaktor ist ein selbstregelnder Reaktor.

Durch die Zunahme der Dampfblasen innerhalb des Moderators im aktiven Teil des Reaktors wird das Volumenverhältnnis des Moderators zum spaltbaren Material innerhalb des aktiven Teils mit einer oder mehreren der folgenden Wirkungen je nach der besonderen Bauart des Reaktors herabgesetzt:

1. Durch die Verringerung des Volumenverhältnisses wird die Bremswirkung der Flüssigkeit herabgesetzt, so daß der Neutronenfluß innerhalb des Reaktors eine höhere Energie hat. Dies hat zur Folge, daß die Wahrscheinlichkeit, daß ein gegebenes Neutron innerhalb des aktiven Teils des Reaktors aus dem aktiven Teil entweicht, zunimmt, so daß auch der Neutronenverlust aus dem Reaktor erhöht wird.

2. Da die erhöhte Temperatur infolge der höheren Leistung und der verringerten Dichte des flüssigen Moderators zu einer höheren mittleren Neutronenenergie innerhalb des Reaktors führt, findet eine höhere Neutronenresonanzabsorption in den vorhandenen U-238-Isotopen statt.

3. Durch die Verringerung des Volumenverhältnisses des Moderators zum spaltbaren Material wird die Wahrscheinlichkeit der Neutronenabsorption im Moderator selbst herabgesetzt.

4. In Reaktoren mit Brennstoffkörpern verursacht die erhöhte Temperatur der Körper aus spaltbarem Material innerhalb des Reaktors, die Kernreaktor

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,

Washington, D. C. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,

München 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:

Michael Treshow, Del Mar, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 4. April 1958 (726 592) - -

durch die größere Leistungshöhe bedingt ist, eine Wärmedehnung der Brennstoffkörper. Dieser Faktor führt zu einer Zunahme des Neutronenverlustes, und wenn U-238 vorhanden ist, führt dieser Faktor ferner zu einer Erhöhung der Neutronenresonanzabsorption durch die Herabsetzung der Selbstabschirmung oder Selbstabsorption in den Brennstoffkörpern.

In den bekannten Reaktoren geschieht die Steuerung durch das Bedienungspersonal mit Hilfe von Regelstäben, welche neutronenabsorbierende Stoffe enthalten. Die Regelstäbe werden auf eine bestimmte Höhe eingestellt, die der Leistung entspricht, welche erzeugt werden soll, wobei die selbstregelnde Kernreaktion innerhalb des Reaktorkerns auf die gewünschte Energiehöhe ansteigt und auf dieser bleibt. Die Verwendung von Regelstäben erfordert komplizierte Einrichtungen zur Bewegung derselben und sehr zuverlässige Druckabdichtungen, durch welche die Stäbe geschoben werden können, um das Austreten von Flüssigkeit und Dampf aus dem Druckgefäß des Reaktors zu verhindern. Die Antriebseinrichtungen für die Regelstäbe des Reaktors und die Hochdruckdichtungen erhöhen zwangläufig die Kosten, so daß die Anlagekosten des Reaktors wesentlich gesteigert werden. Die Wartung der sehr komplizierten mechanischen Antriebseinrichtungen und die Druckdichtungen erfordern ebenfalls einen hohen Aufwand, besonders da sie der Radioaktivität infolge der Kernreaktion innerhalb des aktiven Teils

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ausgesetzt sind. Hierdurch werden natürlich auch die Betriebskosten der Reaktoranlage wesentlich erhöht.

Regelstäbe, die neutronenabsorbierendes Material, wie Cadmium und Bor, enthalten, sind ferner unwirtschaftlich zur Steuerung des Betriebsniveaus des Reaktors, aus Gründen, die nicht durch ihre komplizierten mechanischen Einrichtungen bedingt sind. Die bisher verwendeten Regelstäbe bewirken die Steuerung der Kernreaktion durch Absorption von Neutronen in Neutronenfangstoffen und verringern daher die Zahl der in jeder Generation verfügbaren Neutronen zur Erzeugung von weiteren Spaltvorgängen. Die in den Regelstäben absorbierten Neutronen bewirken lediglich die Umwandlung der in ihnen enthaltenen Fangstoffe zu neuen Isotopen, die im allgemeinen keinem nützlichen Zweck dienen. Die auf diese Weise absorbierten Neutronen gehen für jede weitere Ausnutzung verloren und können nicht zur weiteren Verwendung für die Ausbreitung des Spaltvorgangs oder zur Erzeugung weiterer spaltbarer Isotopen aus Brutstoffen wiedergewonnen werden. Hierbei ist zu erwähnen, daß durch die Zunahme der Dampfblasen bzw. durch die Verringerung des Volumenverhältnisses des Moderators zum spaltbaren Material im aktiven Teil des Reaktors die mittlere Energie der in diesem vorhandenen Neutronen erhöht wird, wodurch die Neutronenresonanzabsorption der im aktiven Teil des Reaktors vorhandenen Brutstoffe, wie U-238, erhöht wird. Wenn die Kernreaktion dadurch gesteuert wird, daß die Menge der Dampfblasen bzw. das Volumenverhältnis des Moderators zum spaltbaren Material innerhalb des aktiven Teils wahlweise geregelt wird, können die Uberschußneutronen nützlichen Zwecken zugeführt werden, die darin bestehen, daß sie neues spaltbares Material erzeugen, statt daß sie durch. Absorption im Material der Regelstäbe verlorengehen. Es ist zu diesem Zweck ein Verfahren zur Regelung der Reaktivität eines heterogenen Reaktors durch Einstellung des Moderators bekannt, bei dem in den einzelnen Zellen des Reaktors die Menge oder Art eines von dem üblichen Moderator getrennten Teils des Moderators während des Betriebs verändert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen,- die unter Zugrundelegung dieses bekannten Verfahrens eine automatische Regelung bewirkt.

Der eingangs bezeichnete Kernreaktor ist daher erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die oberen offenen Enden der Regelrohre über den Flüssigkeitsspiegel des Kühlmittelmoderators hinausragen und in den oberhalb des Kühlmittelmoderators angeordneten Dampfdom des Reaktorgefäßes münden und die unteren Enden der Regelrohre über Rohrleitungen mit einem unter einem veränderbaren Druck stehenden Vorratsgefäß für den Steuermoderator verbunden sind.

An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Ansicht des Kernreaktors im senkrechten Schnitt,

Fig. 2 eine Ansicht im senkrechten Schnitt, welche ein Regelrohr und zwei dieses umgebende Siede-Brennstoffelemente zeigt,

F i g. 3 eine schematische Darstellung der Regeleinrichtung und des Dampfkreislaufs des Kernreaktors.

In den Zeichnungen ist ein Kernreaktor für ein Kraftwerk mit einer elektrischen Leistung von etwa 325 Megawatt dargestellt. Der Reaktor ist ein mit schwerem Wasser betriebener Verdampfer- und Überhitzungsreaktor, in welchem ein Kühlmittelmoderator durch den Reaktor durch natürliche Konvektion fließt und schwach angereicherter Brennstoff verwendet wird.

Der Reaktor

Der in F i g. 1 dargestellte Reaktor 20 besitzt einen aktiven Teil 21, der im Kühlmittelmoderator 21a innerhalb eines Druckgefäßes 22 untergetaucht ist, welches in einer Zelle 24 angeordnet ist, die durch eine Betonabschirmung 26 gebildet wird. Das Druckgefäß 22 hat eine längliche zylindrische Form und weist an jedem Ende einen kuppeiförmigen Kopf 28 und 30 auf. Das Druckgefäß 22 ist innerhalb der Zelle 24 durch 12 Stützen 32 gelagert, die mit dem Druckgefäß 22 an dem abgerundeten Teil 34 am unteren Ende des Druckgefäßes verschweißt sind und auf einer am unteren Ende der Zelle vorgesehenen Schulter 36 ruhen.

Der Innendurchmesser des Druckgefäßes beträgt 4,88 m bei einer Gesamtinnenhöhe von 12,19 m. Das Druckgefäß ist aus Hartstahl hergestellt und hat eine Wanddicke von etwa 12,7 cm, so daß es einem Betriebsdruck von etwa 50,75 kg/cm² und einer Wandtemperatur von 315° C standhalten kann. Der Kühlmittelmoderator 21a ist schweres Wasser. Die Innenseite des Druckgefäßes 22 ist mit rostfreiem Stahl ausgekleidet, um eine Korrosion oder andere durch Dampf verursachte Schäden zu verhindern.

Das Druckgefäß ist gegen Überhitzung durch Gammaabsorption mittels eines 5 cm dicken borhaltigen Stahlmantels oder Wärmeschildes 38 geschützt, das in das Druckgefäß 22 eingebaut ist. Das Wärmeschild 38 bildet eine Auskleidung für die Innenwandung des Druckgefäßes 22 mit einem Spiel von etwa 2,5 cm, so daß Kühlmittel von der Innenseite des Reaktors durch Kanäle 40 im Boden des Wärmeschildes 38 fließen kann. Durch das obere Ende des Wärmeschildes sind Kanäle 42 geführt, um den Druck im Inneren des Reaktors und im Zwischenraum zwischen dem Wärmeschild 38 und dem Druckgefäß 22 auszugleichen. Am oberen Ende des Wärmeschildes 38 ist in axialer Richtung eine zylindrische Umlenkwand 44 angeordnet, die mit dem Wärmeschild abgedichtet ist, um im Dampf vorhandenes Wasser abzutrennen. Durch den oberen Kopf 28 führen 50 Zugangskanäle 45, die zum Beschicken des Reaktors, wie nachstehend beschrieben, dienen. Ein Dampfauslaß 45 α erstreckt sich in das Druckgefäß 22 an dessen abgerundetem Teil in der Nähe seines oberen Endes, durch den gegebenenfalls gesättigter Dampf abgeleitet werden kann. Quer zur Mitte des Druckgefäßes 22 ist etwa 46 cm oberhalb des aktiven Teils 21 ein Gitter 46 angeordnet, das als obere seitliche Stütze für die nachstehend beschriebenen Brennstoffelemente 48 und die Regelrohre 50 dient. Ein zweites Gitter 52 ist in der Nähe des unteren Endes des Druckgefäßes 22, etwa 46 cm vom Boden des aktiven Teils 21 angeordnet und bildet eine untere Stütze für die Brennstoffelemente 48 und die Regelrohre 50. Ein zylindrischer Teil 54 ist an seinem unteren Ende mit der Innenfläche des Druckgefäßes 22 gleichachsig zu diesem abgedichtet

und trägt eine Platte 56 an ihrem oberen, mit einem Flansch ausgebildeten Ende 58. Mit dem oberen Ende der Platte 56 und mit der Unterseite des unteren Stützgitters 52 ist ein zweiter sechseckiger Teil 60 gleichachsig zum Druckgefäß 22 dichtend verbunden. Die durch die Innenseite des zylindrischen Teils 52 und die Platte 56 gebildete Kammer trägt einen Trichter 62, der mit einem Auslaßrohr 64 für den überhitzten Dampf in Verbindung steht, welches sich durch den Boden des Druckgefäßes 22 erstreckt.

Das untere Gitter 52 ist mittig durch das aus dem zylindrischen Teil 54, der Platte 56 und dem sechseckigen Teil 60 bestehende Gebilde gelagert. Das Gitter besteht aus 44,5 mm dickem rostfreiem Stahl und weist radiale Rippen 65 auf seiner Unterseite auf, welche zu seiner Versteifung dienen, da es den größten Teil des Gewichts der den aktiven Teil 21 bildenden Bauteile trägt.

Auf dem unteren Gitter 52 ruht ein weites Rohrstück 66 an seinem Umfang auf und bildet einen Behälter 68 für den kalten Kühlmittelmoderator, wenn dieser dem Reaktor 20 durch sechs in gleichen Abständen voneinander angeordnete Kühlmittelmoderatoreinlaßrohre 70 eintritt, die sich durch das Druckgefäß 22 zum Boden des Behälters 68 erstrecken. Das Rohrstück 66 besteht aus einer 4,76 mm starken Zirkonlegierung und ist so geformt, daß es Fallkanäle 72 für den Kühlmittelmoderator bei dessen Überlaufen aus dem Behälter 68 bildet. Die Zirkonlegierung enthält in Gewichtsprozent 2,5 °/o Zirkon, 1,5 «/ο Zinn, 0,15 °/o Eisen, 0,05 %> Nickel und 0,10 °/o Chrom. Das untere Stützgitter 52 ist so geformt, daß es mit der Form des Rohrstückes 66 übereinstimmt, so daß keine Verengung für die Abwärtsströmung des Kühlmittelmoderators vorhanden ist. Das Rohrstück 66 hat einen Außendurchmesser von etwa 4,27 m, so daß ein Mindestdurchtritt für den Kühlmittelmoderator zwischen dem Behälter und dem Wärmeschild 38 von etwa 23 cm vorhanden ist. Die Oberkante des Behälters 68 erstreckt sich bis zu einer Höhe von etwa 15 cm unterhalb des oberen Endes des aktiven Teils 21.

Der aktive Teil (Reaktorkern)

Der aktive Teil 21 befindet sich im Behälter 68 und besteht aus den Brennstoffelementen 48 und den Regelrohren 50, welche im Kühlmittelmoderator 21a untergetaucht und mit einem hexagonalen Gitterabstand 20,3 cm zwischen den Mittelpunkten der Querschnittsflächen angeordnet sind. Es sind sechs Brennstoffelemente 48 für jedes Regelrohr 50 vorgesehen und um dieses herum hexagonal angeordnet, so daß der Mittenabstand zwischen den Regelrohren 53,761 cm beträgt. Es sind 330 Brennstoffelemente 48 und 55 Regelrohre 50 innerhalb des aktiven Teils 21 des Reaktors angeordnet. Die äußeren Brennstoffelemente 48 sind etwas kürzer als die inneren Brennstoffelemente. Die 276 kürzeren Brennstoffelemente im äußeren Teil des aktiven Teils 21 werden nachstehend als Siede-Brennstoffelemente 74 bezeichnet, während die 54 längeren Brennstoffelemente in der Mitte nachstehend als Uberhitzungs-Brennstoffelemente 76 bezeichnet werden. Wenn nachstehend von Brennstoffelementen 48 gesprochen wird, sind alle Brennstoffelemente unabhängig von ihrer Lage gemeint.

Die Siede-Brennstoffelemente

Die Brennstoffelemente 74, welche den Verdampferteil des aktiven Kerns bilden, weisen je einen Außenmantel 118 auf, an dessen unteres Ende eine Spitze 120 angeschweißt ist. Die Spitze 120 weist eine konische Fläche 122 auf, welche dem Sitz 84 im Zwischenstück 78 angepaßt ist und mit diesem eine mehr oder weniger dichte Abdichtung bilden. Die

ίο Spitze ist mit einer Verlängerung 124 und dreieckigen Stegen 126 versehen, welch letztere dazu dienen, das Brennstoffelement 74 in das Zwischenstück 78 einzuführen, wenn der Reaktor beschickt wird. Die Spitze 120 weist eine Öffnung 128 auf, durch welche der Kühlmittelmoderator von unterhalb des unteren Gitters 52 in das Brennstoffelement 74 fließen kann. Das obere Ende des Mantels 118 ist offen und erstreckt sich über die Oberseite des oberen Stützgitters 46 hinaus. Ferner trägt es ein mit Stegen versehenes Endstück 130 mit einem besonders geformten Knopf 132, an dem ein Brennstoffhandhabungswerkzeug, das nachstehend näher beschrieben wird, zum Angriff gebracht werden kann. Der Außenmantel 118 besteht aus einer Zirkonlegierung und hat einen Außendurchmesser von 16,20 cm. Der Innendurchmesser des Außenmantels 118 beträgt in dem Teil, der sich zwischen dem oberen Gitter 46 und dem unteren Gitter 52 befindet, etwa 16 cm. Wie ersichtlich, ist das obere Ende des Mantels 118, das sich oberhalb des oberen Gitters erstreckt, etwas dicker und weist einen Innendurchmesser von etwa 15,75 cm auf. Innerhalb des Außenmantels 118 sind sechs Brennstoffstabaggregate 134 übereinandergestapelt angeordnet, welche die obere und die untere Begrenzung des aktiven Teils 21 des Reaktors bilden. Jedes Aggregat 134 weist einen Innenmantel 136, 85 Brennstoffstäbe 138 und ein Brennstoffstabstützgitter 140 auf. Die Brennstoffstäbe 138 des untersten Brennstoffstabaggregats 134 sind an ihren unteren Enden durch ein Gitter 159 abgestützt. Das untere Stützgitter 159 ist durch Stäbe 160 gelagert, die quer zum oberen Ende eines unteren Innenmantels 161 angeordnet sind, welcher sich von diesem nach unten zur Spitze 120 erstreckt und an dieser befestigt ist.

Das Brennstoffelement 74 ist von einem Ring 162 umgeben, der an diesem durch Niete 164 befestigt ist.

Die Regelrohre

Die Regelrohre 50 sind flaschenförmige Zylinder 166 (Fig. 2), von denen jeder ein unteres Anschlußstück 168 aufweist, das mit einer Verlängerung 170, die ein Gewinde trägt, ausgebildet ist, welche mit einem Zwischenstück 172- im Eingriff steht, das mit einem Flansch ausgebildet und am unteren Gitter 52 befestigt ist und ferner zur Aufnahme des Kühlmittelmoderators dient. Das obere Ende des Zylinders 166 ist zu einer rohrförmigen Verlängerung 176 verjüngt, die sich oberhalb des oberen Stützgitters 46 befindet und mit einer sechskantigen Entlüftungskappe 178 endet, so daß die Innenseite des Regelrohres dem gleichen Druck wie die Innenseite des Druckgefäßes 22 ausgesetzt ist. Die Verlängerung 176 ist von einer Hülse 180 umgeben, die an ihrem oberen Ende einen Flansch 182 aufweist und auf der Verlängerung in deren Längsrichtung beweglich ist. An ihrem unteren Ende trägt die Hülse 180 sechs radial verschwenkbare Arme 184, die sich nach

außen erstrecken, um die umgebenden Brennstoffelemente zu unterstützen, wenn sich die Hülse 180 in ihrer unteren Stellung befindet. Die Anne 184 berühren einen Speichenring 186, der auf die rohrförmige Verlängerung 176 aufgeschraubt ist, um die Arme 184 nach außen gerichtet zu halten.

Das untere Anschlußstück 168 des Regelrohres weist eine Bohrung auf, die mit einer Rohrleitung

187 (F i g. 1) in Verbindung steht, welche aus dem Reaktor unterhalb des unteren Stützgitters 52 herausführt und dazu dient, den Regelmoderator in den Zylinder 166 aus dem nachstehend beschriebenen Regelmoderatorsystem einzuleiten. Die flaschenförmigen Zylinder 166 der Regelrohre 50 bestehen sowohl im Siedebereich als auch dm Uberhitzungsbereich aus der genannten Zirkonlegierung und haben einen Innendurchmesser von 215,9 mm und eine Wandstärke von 3,18 mm.

Die Abschirmung

Wie erwähnt, ist der Reaktor 20 in einer Zelle 24 angeordnet. Wie F i g. 1 zeigt, ist die Zelle 24 mit einem 12,7 cm dicken wassergekühlten Wärmeschild

188 aus Stahl und Blei ausgekleidet. Unmittelbar um das Druckgefäß 2 herum ist eine 10,16 cm dicke Schicht aus rostfreier Stahlwolle 190 angeordnet, die ebenfalls zur Wärmeisolierung dient. Die Stahlwolle 190 ist von einer luftdichten Ummantelung 192 aus rostfreiem Stahl bedeckt.

Die Betonabschirmung 26, welche die Zelle 24 bildet, hat eine Dicke von 2,74 m. In der Betonabschirmung sind Kühlschlangen vorgesehen, um die Wärmebeanspruchung während des Betriebs des Reaktors zu verringern.

Die Regeleinrichtung

Die Regeleinrichtung umfaßt die Regelrohre 50, von denen eines in F i g. 3 gezeigt ist, das an seinem unteren Ende über eine Rohrleitung 187 mit einem Kühler 216 verbunden ist. Der Kühler 216 ist mit einer Regelmoderatorquelle 218, die schweres Wasser (D₂O) enthält, über eine Rohrleitung 220, eine umkehrbare Verdrängerpumpe 222, eine Rohrleitung 224 und ein Ventil 226 verbunden. Ein Füllstandsanzeiger 228, der zum Druckraum oberhalb des Spiegels des Kühlmittelmoderators im Druckgefäß offen ist, ermöglicht die unmittelbare Ablesung des Spiegels des Regelmoderators im Regelrohr 50. Die umkehrbare Verdrängerpumpe 222 ist von Hand regelbar, um einen gewünschten Regelmoderatorspiegel innerhalb des Regelrohres 50 aufrechtzuerhalten. Die Anordnung kann auch so getroffen werden, daß die Vergrängerpumpe 222 selbsttätig durch eine Vorrichtung 230 gesteuert wird, welche mit dem Füllstandsanzeiger"228 verbunden ist und die Füllstandsanzeige in elektrische Impulse zur Regelung der Pumpe 222 umwandelt. Ein Überdruckventil 232 dient zur Umgehung der umkehrbaren Verdrängerpumpe 222 für das sofortige Ablassen des Regelmoderators aus dem aktiven Kern bei einem Durchgehen des Reaktors.

Der Kühler 216 gewährleistet, daß der aus dem aktiven Teil weggeführte Regelmoderator flüssig ist, wenn er die umkehrbare Verdrängerpumpe 222 bzw. das Überdruckventil 232 beim Ablassen erreicht. Der Regelmoderator in den Rohren 50 kann natürlich in einem bestimmten Maße verdampfen, in welchem Fälle die Pumpe 222 und das Überdruckventil 232 für das Ablassen unwirksam wären. Diese Einrichtung dient als ein Mittel, durch welches der Oberflächenspiegel des Regelmoderators auf einer bestimmten Höhe gehalten werden kann, die einer gewünschten berechneten Leistungshöhe des Reaktors entspricht. Wenn sich der Oberflächenspiegel des Regelmoderators in den Regelrohren 50 verändert, stellt der Füllstandsanzeiger 228 diese Veränderung fest, so daß elektrische Impulse an die umkehrbare

ίο Verdrängerpumpe 222 gegeben werden, die dann in entsprechender Weise in Tätigkeit tritt, um entweder mehr Regelmoderator in das Regelrohr 50 zu fördern oder einen Teil in einen Vorratsbehälter 218 abzuführen. Gegebenenfalls kann zur Regelung der Reaktivität des Reaktors eine Einrichtung vorgesehen werden, die auf den sich im Druckgefäß aufbauenden Dampfdruck anspricht. Das Druckgefäß 234 ist über ein Ventil 236 mit der Rohrleitung 224 verbunden. Um die umkehrbare Verdrängergruppe 222

zo führt ein Umgehungsventil 238 herum, das mit den Rohrleitungen 224 und 220 verbunden ist. Das Druckgefäß 234 enthält den Regelmoderator, der durch einen nicht gezeigten Verdichter über ein Ventil 240 und eine Druckanzeigevorrichtung 242 unter Druck gehalten wird. Hierbei ist zu erwähnen, daß, wie vorangehend beschrieben, das obere Ende der Kegelrohre 50 offen ist, so daß der in diesen enthaltene Regelmoderator dem Druck ausgesetzt ist, der im Reaktordruckgefäß herrscht.

Zur Regelung wird das Druckgefäß 234 einem bestimmten Druck ausgesetzt, der der gewünschten Betriebshöhe des Reaktors entspricht. Wenn der Druck innerhalb des Reaktordruckgefäßes geringer ist als derjenige im Druckgefäß 234, steigt der Oberflächenspiegel des Regelmoderators in den Regelrohren 50 an, wird der Anteil der Dampfblasen zum Moderator verringert oder das Volumenverhältnis des Moderators zum Brennstoff erhöht, wodurch die Reaktivität innerhalb des Reaktors erhöht wird. Wenn die Reaktivität zunimmt, wird mehr Wärme erzeugt, wobei der siedende Kühlmittelmoderator innerhalb der Brennstoffelemente einen Druckanstieg im Reaktordruckgefäß verursacht, bis dieser dem Druck des Regelmoderatordruckgefäßes 234 angeglichen ist. Die Regelrohre 50 können einzeln regelbar sein oder sie können in Gruppen mittels gemeinsamer Verbindungssammelleitungen gesteuert werden. Durch die Anordnung einer gesonderten Steuerung kann die Neutronenflußcharakteristik in den verschiedenen Teilen des aktiven Kerns 21 so verändert werden, daß sich eine gewünschte Betriebs-Neutronenflußcharakteristik ergibt. Wenn die Regelelemente in Gruppen zusammengefaßt sind, werden die miteinander verbundenen Regelelemente am besten konzentrisch zum aktiven Teil des Reaktors angeordnet, so daß ein relativ gleicher Verlauf des Neutronenflusses aufrechterhalten werden kann.

Bei der beschriebenen besonderen Reaktoranordnung würde es unzweckmäßig sein, alle Regelrohre mit einer gemeinsamen Sammelleitung zu verbinden wegen der Schwierigkeiten, die beim Beschicken und beim Entladen des Reaktors auftreten würden. Zum Auswechseln eines Regelelementes oder eines Brennstoffelementes müßte der Regelmoderator innerhalb der Regelrohre abgelassen und das jeweilige Regelrohr aus dem Reaktor, wie vorangehend beschrieben, herausgenommen werden. Wie sich aus F i g. 1 ergibt, würde der Kühlmittelmoderator aus dem Behälter 68

ίο

dann in das Regelsystem eintreten und auf die anderen Regelrohre verteilt werden, wenn diese miteinander verbunden sind, wobei eine ausreichende Verringerung des Verhältnisses der Moderatordampfblasen zum Brennstoff stattfinden kann, so daß eine Kettenreaktion eingeleitet wird. Durch eine Einzelregelung der Rohre wird diese Möglichkeit verhindert, welche bei der gruppenweisen Regelung besteht, vorausgesetzt, daß die Zahl der Regelrohre, welche eine gemeinsame Verbindung haben, ausreichend klein ist, damit der Anstieg des Moderators in ihnen nicht ausreicht, eine Kettenreaktion zu unterhalten.

Einige der Regelrohre 50 werden zur Trimmregelung des Reaktors verwendet, während andere zur Regelung in der vorangehend beschriebenen Weise benutzt werden. Zum Ausgleich für den Abbrand des spaltbaren Brennstoffs der Xenonvergiftung und anderer veränderlicher Parameter kann der Regelmoderatorspiegel in einigen der Rohre verändert werden.

Die Regelrohre können ferner dazu verwendet werden, eine annähernd gleichmäßige Verteilung der Leistung über den aktiven Teil des Reaktors aufrechtzuerhalten. Eine Annäherung an diesen Zustand kann erreicht werden, wenn die Regelzylmder derart geregelt werden, daß der Regelmoderatorspiegel in denjenigen Rohren, die von der Achse des Kerns am weitesten abgelegen sind, so hoch als möglich gehalten wird, während der Oberflächenspiegel in den mittig angeordneten Rohren so weit herabgedrückt wird, wie es zur Regelung des kritischen Verhaltens erforderlich ist. Der Oberflächenspiegel des Regelmoderators in den Rohren der Überhitzungszone wird natürlich entsprechend den Temperaturen des trockenen Dampfes geregelt.

Bei dem vorangehend beschriebenen Reaktor kann die aus den 55 Regelrohren 50 bestehende Regeleinrichtung zwischen 12 und 14°/oK_eft regeln. Zwischen 10 und 12°/o ist K_eff durch den Resonanzabsorptionseffekt im U-235 regelbar. Weitere 2 bis 3% ergeben sich aus dem Neutronenverlust vom Umfang des aktiven Teils durch den Brutmantel, welcher durch den überschlüssigen, den aktiven Teil umgebenden Kühlmittelmoderator gebildet wird.

Ferner ist ein weiterer Faktor vorhanden, der die Regelung der Reaktivität beeinflußt, die schwierig zu berechnen ist, jedoch zu den voranstehend gegebenen Prozentsätzen beiträgt. Der Effekt wird im allgemeinen als »Neutronenabfluß« bezeichnet und wird durch schnelle Neutronen verursacht, die aus den Enden der Regelrohre entweichen oder abfließen, wenn aus ihnen der Regelmoderator abgelassen wird. Wenn sich in einem Rohr kein Moderator befindet, können schnelle Neutronen aus beiden Enden entweichen und für die Kernreaktion verlorengehen. Teilweise gefüllte Rohre ergeben Pfade für schnelle Neutronen durch ihre oberen Enden in der gleichen Weise. Diese Neutronenverluste dienen dazu, die Regelungswirkung des Systems zu erhöhen, so daß sie zu dessen Integrität sowie zur Betriebssicherheit des Reaktors beitragen.

Der Speisewasser- und Dampfkreislauf

Nachstehend wird in Verbindung mit Fi g. 1 und 3 der Speisewasser- und Dampfkreislauf näher beschrieben. Der Kühlmittelmoderator 21 α, welcher bei der dargestellten Ausführungsform schweres Wasser (D₂O) ist, wird in den Reaktor durch die Speisewasserleitung 70 eingeleitet, die im unteren Teil des Behälters 68 endet. Der Kühlmittelmoderator läuft im Behälter 68 über und fließt zum Boden des Druck-

' 5 gefäßes durch die Fallkanäle 72, worauf er durch die Kanäle 86 in den Zwischenstücken 78 und die Öffnungen 128 in das Innere der Siede-Brennstoffelemente74 nach oben steigt. Das Druckgefäß ist mit Kühlmittelmoderator bis zu einer Höhe gefüllt, die

ίο annähernd 61 cm über dem oberen Ende des aktiven Teils 21 liegt, wobei derjenige Teil des Kühlmittelmoderators, der sich oberhalb des aktiven Teils befindet, als oberer Brutmantel dient.
Wenn sich der Reaktor im Betrieb befindet, wird das Wasser in den Siede-Brennstoffrohren durch die Kernreaktion erhitzt, so daß es infolge der natürlichen Konvektionsströmung ansteigt, wobei weiteres Kühlmittel aus dem Kühlmittelmoderator zugeführt wird, das aus dem Behälter überläuft und durch die Fallkanäle nach unten zum Boden des Druckgefäßes fließt. Wenn der Reaktor auf die Betriebsreaktivität gebracht wird und die Temperatur des Kühlmittelmoderators innerhalb der Siede-Brennstoffelemente 74 den Siedepunkt erreicht, steigt der sich bildende Dampf durch das obere Ende der Siede-Brennstoffelemente nach oben und gelangt in die Dampfkammer oberhalb des Kühlmittelmoderatorspiegels. Hierbei ist zu erwähnen, daß der Kühlmittelmoderator, der in den Reaktor durch die Rohrleitung 70 eintritt und den Behälter 68 füllt, ausreichend gekühlt ist, so daß er am Verdampfen verhindert wird, bis er das Innere der Siede-Brennstoffelemente 74 erreicht. Das Speisewasser verhindert daher auch, daß der Regelmoderator in den Regelrohren siedet. Wenn der Druck im Druckgefäß zunimmt, tritt der gesättigte Dampf in den Raum oberhalb des Kühlmittelmoderatorspiegels durch die offenen oberen Enden der Überhitzungs-Brennstoffelemente 76 ein, von wo aus er seinen Weg nach unten in den Mittelteil des aktiven Kerns 21 nimmt. Der durch den aktiven Teil hindurchtretende Dampf wird überhitzt, wenn er in die Kammer 62 und in die Auslaßleitung 64 eintritt. Der überhitzte Dampf wird einem Turbogenerator 244 an sich bekannter Bauart zugeführt, in welchem die Energie zur Erzeugung elektrischer Leistung ausgenutzt wird. Der Dampf wird dann durch einen Kondensator 246 geleitet, in dem er verflüssigt und zum Reaktor über die Rohrleitung 70 mit Hilfe der Speisewasserpumpe 248 zurückgeführt wird.

Für den Speisewasserkreislauf ist eine Sicherheitseinrichtung vorgesehen, durch welche eine Bor enthaltende Flüssigkeit, beispielsweise eine Borsäurelösung, von einem Vorratsbehälter 250 dem Reaktor über ein Ventil 252 zugeführt wird, das bei einem ungewöhnlichen Anstieg des Reaktivitätszuwachses anspricht. Durch das Bor im Speisewasser werden die Neutronen sofort absorbiert, welche dann nicht mehr zur Unterhaltung einer Kernreaktion zur Verfügung stehen, wodurch der Reaktor stillgesetzt wird.

Die vorangehend beschriebene Ausführungsform des Reaktors ist für einen Betrieb mit einer Reaktorleistung von etwa 1000 Megawatt bei einer erzeugten elektrischen Leistung von etwa 325 Megawatt bestimmt. Der aus dem Reaktor austretende Dampf hat einen Druck von etwa 50,75 ata bei einer Temperatur von etwa 455⁰C. Der vorangehend beschriebene Dampfkreislauf hat einen Wirkungsgrad von etwa 32,7 °/o. Der Reaktor erzeugt Dampf mit einer Ge-

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schwindigkeit von etwa 1134 000 kg/h, der auf etwa 170° C überhitzt wird.

Reaktorkennwerte Betriebskennwerte

Art des Brennstoffs (keramisch) angereichertes UO₂

Dampfüberhitzung, ⁰C 170

Kühlmittelkreislauf Naturumlauf

Reaktorleistungshöhe, tmw 1 000

Erzeugte elektrische Leistung, mw 325

D₂O im Reaktor, T 113,4

Betriebsfaktor 0,80

Mittlere D₂O-Temperatur innerhalb des Gefäßes, jedoch außerhalb der Mantel, ⁰C.. 74

Dampfaustrittsdruck, ata 50,75

Dampfaustrittstemperatur, ⁰C.. 455

Wirkungsgrad des Dampfkreislaufs, % 32,7

Maximaler Dampfblasenaustritt in den Mänteln, °/o 74

Maximaler Siedewasser-Wärmezufluß (unausgeglichene Flußverteilung), kW/mVh 762,3

Maximale Oberflächentemperatur (Überhitzer), ⁰C 650

Dampferzeugung, kg/h 1134 000

Turbinenaustrittsfeuchtigkeit, sofern nicht Zwischentrockner verwendet werden, % 10

Claims

Patentansprüche:

1. Kernreaktor mit einem Kern, bestehend aus einem flüssigen, siedenden Kühlmittelmoderator,

in dem vertikale Brennelemente in Form eines geometrischen Gitters angeordnet sind und in dem parallel zu den Regelelementen einen flüssigen Regelmoderator mit freiem, veränderbarem Flüssigkeitsspiegel enthaltende Regekohre angeordnet sind, bei dem der Kern bezüglich der Brennelemente und der Kühlmittelmoderatorflüssigkeit unterkritisch ist, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen offenen Enden der Regelrohre über den Flüssigkeitsspiegel des Kühlmittelmoderators hinausragen und in den oberhalb des Kühhnittehnoderators angeordneten Dampfdom des Reaktordruckgefäßes münden und die unteren Enden der Regelrohre über Rohrleitungen mit einem unter einem veränderbaren Druck stehenden Vorratsgefäß für den Regelmoderator verbunden sind.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffelemente schwach angereichertes Uran enthalten.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennelemente zwischen einem oberen Gitter und einem unteren Gitter innerhalb des Druckbehälters gelagert und gruppenweise um die im seitlichen Abstand voneinander angeordneten Regekohre, die ebenfalls zwischen dem oberen und dem unteren Gitter gelagert sind, angeordnet sind.

4. Kernreaktor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennelemente hexagonal in Gruppen von je sechs, die jeweils ein Regelrohr umgeben, angeordnet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 027 339,
020 417;

britische Patentschriften Nr. 785 050, 753 130;
»Nucleonics«, Vol. 12, 1954, Nr. 7, S. 45; Vol. 14, 1956, Nr. 7, S. 42.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

609 710/235 11.66 ® Bundesdruckerei Berlin