DE1639170C - Atomkernreaktor, der von einem flüssigen Moderator gekühlt wird - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Atomkern- menge nach dem lokalen Kühlbedarf des Kerns reaktor, der von einem flüssigen Moderator gekühlt variieren.

wird und dessen Kern von mehreren Brennelement- Außerdem können diese Rohre auch zur Aufanordnungen aus seitlichen Abstand haltenden Roh- nahms von entsprechenden Regelstäben dienen, die ren so gebildet ist, daß einige Bereiche der Anord- 5 in den Rohren in Längsrichtung beweglict geführt nungen eine wesentlich höhere Leistungsdichte als sind. Der Querschnitt der Regelstäbe ist nur geringandere aufweisen, wobei in einigen Anordnungen fügig kleiner als der der Rohre, so daß sie in ihrer Rohre vom Kühlmittel durchströmt werden und mit herausgezogenen Stellung die Rohre am oberen Ende Wandöffnungen versehen sind (vgl. die USA.-Patent- im wesentlichen abschließen,
schrift 3 151 029). 10 Bei der Ausführung nach der Erfindung ergibt sich

Kernreaktoren, die von einem flüssigen Moderator, der Vorteil, daß in die lokalen heißen Stellen des wie z.B. Wasser, gekühlt werden, weisen Bereiche Reaktorkerns Kühlmittel so eingeführt wird, daß im Reaktorkern auf, die eine höhere Leistungsdichte dort die Temperatur gesenkt wird. Auf diese Weise oder, anders gesagt, einen höheren Anstieg des wird der Spielraum bis zum Ausbrennen der Brenn-Wärmeinhalts als andere Bereiche aufweisen. Dafür i₅ elemente und damit atch die Leistungsfähigkeit des gibt es mehrere Gründe, von denen einer in der Reaktors verbessert.

Notwendigkeit besteht, innerhalb des Kerns Raum Außerdem kann die Kühlmittelströmung durch den

zur Aufnahme der Regelstäbe zu schaffen. Wenn Reaktorkern den auftretenden Betriebsverhältnissen diese Regelstäbe abgezogen sind, bleibt eine Lücke entsprechend dadurch geregelt werden, daß einzelne zurück, die mit Moderator gefüllt ist, und dadurch 20 der Kühlmittelrohre eine größere Strömung als andere wächst die Bremsleistung und entsprechend die führen können. Wenn z. B. der zentrale Teil des Leistungserzeugung in den benachbarten Brennele- Reaktorkerns eine größere Kühlung benötigt, dann menten. Diese Bereiche höherer Leistungsdichte be- werden die Strömungswiderstände im Eingang der grenzen die Leistungsfähigkeit des gesamten Reaktors Rohre in diesem Teil des Kerns kleiner bemessen dadurch, daß in diesen Bereichen der Spielraum 25 als in den anderen Teilen.

bis zum Ausbrennen, allgemein thermischer Spiel- Weiterhin ergibt sich der Vorteil, daß die zur

raum genannt, seinen Grenzwert erreicht, so daß die Kühlung dienenden Rohre auch noch zur Führung Leistungsabgabe des Reaktors nicht ohne die Gefahr für die Regelstäbe des Reaktors dienen können, so einer Zerstörung erhöht werden kann. daß die sonst erforderlichen Führungsvorrichtungen

Die vorliegende Erfindung befaßt sich auch noch 30 wegfallen.

mit einem weiteren Problem. Dieses besteht in der Diese und weitere Vorteile ergeben sich aus der

ungleichmäßigen Leistungsverteilung über dem Quer- folgenden Beschreibung.

schnitt des Peaktorkerns. Allgemein arbeiten die Die Erfindung wird jetzt an Hand der Zeichnungen

Brennelemente in dem äußeren Bereich des Reaktor- beschrieben; in diesen zeigt

kerns mit geringerer Leistungsabgabe als die Brenn- 35 Fig. 1 in einem senkrechten Schnitt längs Linie 1-1 elemente in weiter innen gelegenen Bereichen. der F i g. 2 einen mit Wasser gekühlten und mode-Außerdem können im Kern bestimmte Bereiche auf- rierten Kernreaktor,

treten, die deshalb mit einer höheren Leistung arbei- Fig. 2 einen Querschnitt längs Linie 2-2 der

ten, weil der Brennstoff in bestimmter Weise im Fig. 1,

Reaktor angeordnet ist oder wegen der Anreicherung 40 F i g. 3 in einem Schnitt längs Linie 3-3 der F i g. 4 des Brennstoffs in bestimmten Bereichen oder aus eine Brennelementanordnung des Reaktors zusammen anderen Gründen. Als Ergebnis dieser ungleich- mit der Stützplatte,

mäßigen Leistungsverteilung arbeiten die Brennele- F i g. 4 in einem Querschnitt längs Linie 4-4 der

mente in einigen Bereichen mit höheren Tempera- Fig. 3 die Anordnung der Kühlwasserrohre in den

türen als in anderen. Die Aufgabe der vorliegenden 45 Kanälen mit großer Wärmeerzeugung,
Erfindung besteht dementsprechend darin, in den Fig. 5 eine Seitenansicht eines der Kühlwasser-

Bereichen höherer Temperatur eine größere Kühl- rohre,

mittelströmung als in denen niedrigerer Temperatur Fig. 6 in einer teilweise geschnittenen Seiten-

zu erzeugen. Dieses Ergebnis wird nach der vor- ansieht einen Reaktor als weiteres Ausführungsbeiliegenden Erfindung erzielt, obwohl weiterhin ein 50 spiel der Erfindung,

offener Kern verwendet wird, d. h. ein Kern, dessen Fig. 7 eine Seitenansicht einer der Brennelement-

Brennelementanordnungen nicht in einzelnen Kästen anordnungen dieses Ausführungsbeispiels,
enthalten sind, sondern bei dem die Seiten der F i g. 8 einen Querschnitt längs Linie 8-8 der

Brennelementanordnungen offen sind und eine F i g. 7 durch die Brennelementanordnung,
Kreuzströmung des Kühlmittels von einer Anord- 55 Fig. 9 einen Grundriß der Anordnung von F ig. 7, nung zur nächsten gestatten. Fig. 10 eine Draufsicht auf die Anordnung von

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfin- F i g. 7,

dungsgemäß das Kühlmittel durch die Wandöffnungen Fig. 11 in einem vergrößerten senkrechten Schnitt

seitlich in die Bereiche mit der höheren Leistungs- eine Ecke des obersten Teils der Brennelementanorddichte strömt. 60 nung dieses Ausführungsbeispiels zusammen mil

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung Strömungswiderständen,

sind diese Rohre an ihrem unteren Ende im Bereich Fig. 12 eine Seitenansicht der Regelstabanordnunj;

des Kühlmitteleintritts des Kerns offen, und die dieses Ausführungsbeispiels,

Wandöffnungen befinden sich weit oberhalb des offe- Fig. 13 eine Draufsicht auf die Regelelement-

nen Rohrendes im Kern. 65 anordnung der F i g. 12,

Durch Strömungswiderstände im Kühlmitteleintritt Fig. 14 in einem senkrechten Schnitt die Lage

des Kerns und in den offenen Rohrenden läßt sich der Regelstabanordnung bezüglich der Brennelement· die durch die einzelnen Rohre strömende Kühlmittel- anordnung dieses Ausführungsbeispiels zusammer

oder Abschir- den Wassers auf den Bereich des

Fig. 15 in einem horizontalen Sow« ,r r ^t und ihn nicht über den Raum zwischen der

der RegeMtmentZrdZTSVs^iL Ff ⁰^^{31 und dem T}-S^{er 16 h k}

der RegeMtmentZrdZTSVs^iL™ Fuf ^.^{31 und dem T}-S^{er 16 um}g^ehe" ^ka™·

rungsvorrichtung, die and^T ρϊΐϊτ! u · ^{Bei diesem} Ausführungsbeispiel wird die Reakti

festigt ist, Ruckhalteplatte be- s vität des Kerns durch in senkrechter Richtung be

Fig. 16 in einem Querschnitt n„_rr>h λ- ■ wegliche Regelstäbe 26 kreuzförmigen Querschnitt

AusführungsbeispS ehSAS?£* r* ™ ^ein8^estelIt· ^{In de}^ Kern sind Führungen 28 zur Auf

des Kerns Reaktors die Geometrie nähme dieser Regelstäbe zwischen voneinander Ab

sch^FnL^ßti⁷ '"f*?. ^{den von Fi}g·¹³ ******»2S^{haltenden BrenneIementanordnun}s^{en v}-g^e

orZng ^{ere GeOmetrie der B}™-Iementan- Diese Führungen 28 für die Regelstäbe bilde,

Fig. 18 in einem senkrechter, c κ ■„ a- ^- , ^{emen Bereich h}°her Leistungsdichte in den Teiler heiten des intere™Enfe del F«h * ¹^" ^ ^Brennelementanordnungen, die ihnen benach

seine Anordnung bezüS £ StI ⁸^T T* ^{bart Sind}- ^{Zur Ve}'besserung des Verhältnisses vor Blende zur sÄSS^£^ "^ ** ^l5 TTl? *," "**"« ^Leistunß^{sdichte übe}^ ^err 19 schematisch Hio #ί^' ^ --, Querschnitt des Reaktorkerns sind in jeder Brenn-

^^^tl^^tS,^ Jmentanordnung, die einer Führung fur die Regele 20 in einer ocCnxtuZh r? T⁸P⁰¹*¹* ^stabe benachbart ist, mehrere Durchführungen vor-

??SJSSf£S; V-^ra^f^CH^{ht a}n^f ** ^geSehen· ^{die keinen} Biomstoff enthalten und wäh- ^«^Ιι^ΐΙϊϊ^^ΐίΓ^Ϊ?¹¹¹" ²⁰ η"^{0 deS R}?^{aktürbetriebs mit Wasser} gefüllt sind. Leistung einer Anordnung ™ΓΪ!? f · ^mitÜ"^{en Dlcs Ist am} b^ten aus den F i g. 3 und 4 ersichtlich, ganzen KerS uSSdS^ ^?⁸**⁸ '" ^{denen eine soIche} Brennekmentanordnung in Ordnungen mitSefer iTuLf ^ ^άΐ ^A"" ^{grÖßeren Ein}zelheiten dargestellt ist. Die Anordnung d. h. während des Betriebs SeiS T ³^f' ^{beSteht aus vielen} Brennelementen oder -stäben 7,1 Fig. 21 22 und 2?m SdSfhif ^ΐ™ n^' _t ^{25 dlC vorzu}g?^weise rohrförmig aus Zirkonium, Alumidie Enthalpie und die Strömuni ^l Z T^ T °^{der rostfreiei}n Stahl hergestellt sind und den Fortschreit^ von seLm Ζ^ησ · ^Γ "f" ^nukIearen Brennstoff, d.h. ein spaltbares Material,

gang. ^{gang ZU Semem Aus}- enthalten. Diese Brennstoffstäbe befinden sich zwi-

Die bevorzueten und daro^t^u^ δ _t-u !,«^{hen mit öffnun}S^en versehenen Endplatten 33 und

beispiele der Erfindung Ä w ^Ausfuhr^uni^s- 3° 40, die einen Teil der Brennelementanordnung und moderigrReaktofen undTnlh«³⁵⁵^ ⁸A^? ^blIde"· ^V°" ^{der PIatte} ^ ^reichen Stützen 35 nach y^^S^^^y^^^¹^ ΑΪ?' Η⁰.?" ^{dieSe PIatte VOn der} Stützplatte 24 Darstellung nur der VenmS»!.iM, λ ! Abstand halt. Zwischen den Brennelementen sind

daß die ShS«lruSS£t?52 ÄSüSJ ? ^" ³^ ^darg^{esteIlten Weise} angeodt ^ Ä^? Γ f" ? ^Afh

daß die ShS«lruSS£t?52 ÄSüSJ ? ^ ^ g^{sten Weise} angeordnet, anwendbar ist, die^ein moderierendes Ä,^?« Γ " f" "? ^Z« ^Aufnahme des in den Reaktorkern ein- ?TS * treted W ff

anwendbar ist, die^ein moderierendes Ä,^?« Γ " f" "? ^Z« ^Aufnahme des in den Reaktorkern einz. B. siedendes W««?nTS ■ ,* tretenden Wassers unten geöffnet und an ihrem obe-

mittel, enthalten organisches Kühl- ren Ende zur Freisetzung mitgeführten Gases mit

In den Zeichnung «„h ι · u t, ·, Luftoffnungen versehen. Die Rohre 34 können

gleichen^BeSsSfη vergehe⁸ η T^- ^mit ^""elementen 32, die keinen Brennstoff enthalten, bis 5 dameste Ite A,?^h κ °³· l"?™ ^{Flgl l 4}° ^gIeichen· ^{Es versteht sich}· ^daß *> *« in Fig. 4 dare nem ΐST w™^^ moSS ^P1^ ""¹SL,^3US |^eSte"^ten Q^ntoi, die kein Rohr 34 enthalten, ein KenSeaEor 10 der ΆΓΞ^""fιΛΐ? If" »«""ϊ?»** ³² vorgesehen ist. Zum Zweck einer In dem Kessel ist eine Λ^ϊ,λκ I* ^befindet ^^{laren DarstelI}"ng «nd nicht alle Brennstoffstäbe 32 und e.™ Trägr 16 für den kT^S' f⁵⁰^^ ^{U dar}g^este"t worden, und die Brennelemente 32 sind gebracht d!tkL W des ReStS Κ?Τ ⁴⁵ J""* ^{dnen einzi}8^{en Kreis}- ^dag^egen die Rohre 34 unteren Teil des Kesselt^12 „2 ^ Ά ^S'^Ch '^m ^^{Urch einen Do}PP^eIk>-eis dargestellt. Die Wirkung strömung wird To gele te daß XfJuvf^T^ ** ^^erteiIung ^der Rohre 34 über die Brennelementden Stutzen 20 zunächst abwaS ?,m η ΐ ··^dUF^ »"-««nung in der in F i g. 4 dargestellten Weise be- und über die AbSmunaid T ^Traf^{er 16 ste}ht darin, über dem Querschnitt der Anordnung durch den ^JStÄT ³^j ⁵° ^zusätz'^{iche Berei}<*e mit gesteigerter Leistungsdicht? schließlich aus^em Stuten 12 f" f ^**, ^{md ZU SChaffeni Die} Gesamtwirkung dieser Anordnung die p£ΐ^ dargestellt S?Def Ke ^8 Tt" ΐ"? ^1St ,^{dne Verbess}enmg des Verhältnisses der maxl·

HÄft ^^ ΛΑ1Σ SS^SSST^{Leistung über dem OuerschIlitt}

^Brennelemente32 und die Rohre 34 werden

nebeneinander angeordne snid t S H ' « -^{Ch d}'^{C Anordnun}g ^und über die Brennstoffstäbe

unteren Teil durch dS? Kmί anfliS H w ^V°^m l.^{trOmen kann}· ^{Die Gitter sind z}" ^B· ^{in der} deutschen

über diese Brennelemente: SrfSmt ™h⁸h" —S"" P^atentanmeldung C40015VIIIc/21g (BW 489)

erzeugte wS tSmL S AtAVS H⁸?⁶"^ ^Β'ί ⁰^⁵" ^Anordnu"g ^der Brennelemente

öffnungen zum DurchSTdes^aufwärtf «LSLT -^ ^d!f· ^Ka"^{ale> die mit den Punkten 36} bezeichnet

KühlwÄ^rBveneheTmdSRSSk/I^S^i^« ⁵^' ^dieJ^eni8^{en mit} der höchsten Leistungsdichte

sich in einem cS^^dw^AtaSl^S ⁵ " ^{demnaCh d}'^{e mit dem hÖchsten Ent}«^a>Pieanstieg

diesichbiewPIa^toab^mrick^Td.i?¹ Ά™*" "^{aCh Oben> d}" ^h" ^{in der Richtun}8 ^d^

Aufwärtsströmung de^ÄÄ^ ^S^l^i^ *

stungsdichte als irgendwelche anderen innerhalb der seinerseits die Enthalpie vermindert. Diese Misch Brennelementanordnung, und zwar wegen des Ein- wirkung zusammen mit der Verringerung der Tem flusscs der Rohre 34, die innerhalb der Brennelement- peratur durch die Einführung des kalten Wassers anordnung eingesetzt sind. ergibt die erforderliche Verringerung des Wärme-Wie zuvor erwähnt, begrenzen diese Bereiche 5 inhalts in diesen kritischen Kanälen. Natürlich ist ei hoher Leistungsdichte die Leistungsfähigkeit des von größtem Vorteil, die den Rohren 34 entströmen Reaktors, weil in ihnen der thermische Spielraum den Strahlen gegen die Kanäle hohen Enthalpiean seinen Grenzwert erreicht. Zur Verringerung des stiegs zu richten, da dies die größte Verminderung Wärmeinhalts des Mediums in den Kanälen mit des Wärmeinhalts und entsprechend den größten großem Enthalpieanstieg, wie z. B. 36 und 38, sind io Anstieg des thermischen Spielraums zur Folge hat gemäß der Erfindung Vorrichtungen zur Einführung Das in den Rohren 34 durch den unteren Teil des relativ kalten Wassers in diese Kanäle an einer Stelle Reaktorkerns strömende kalte Medium umgeht ziemlich weit oben im Reaktorkern vorgesehen. Dies diesen Teil des Kerns, d. h., er strömt nicht über die geschieht dadurch, daß in den Rohren 34 Öffnungen Brennelemente in dem unteren Bereich. Da jedoch oder Schlitze 39 vorgesehen sind, durch die das 15 der thermische Spielraum dieses unteren Bereichs Wasser seitlich aus den Rohren in einer Richtung mehr als ausreichend ist und diese Umgehungsauf die Kanäle großen Enthalpieanstiegs austreten strömung des Mediums keine schädliche Wirkung kann, wie es durch die Pfeile in F i g. 4 dargestellt hat, werden keine Kühlungsprobleme verursacht, ist. Die Rohre 34 kommunizieren direkt mit der Ein- Obwohl das durch die Rohre 34 strömende Medium laßseite der Stützplatte 24 über die Stutzen 127, wie *.o in einem gewissen Ausmaß erhitzt wird, und zwai es in Fig. 18 dargestellt ist. Die Platte 24 ist mit wegen des Wärmeübergangs von der die Rohre umLöchern zum Durchtritt des Wassers versehen, das gebenden Flüssigkeit auf ihre Wände, ist die Temdann aufwärts durch den Reaktorkern strömt, und peratur dieses in dem Kern seitlich abgestrahlten die Löcher sind zur Herstellung eines bestimmten Mediums jedoch wesentlich niedriger als das der Strömungswiderstandes, wie z.B. 0,21 bis 1,05 atm 25 umgebenden Flüssigkeit, in die es eingespritzt (3 bis 15 pounds per square inch) bemessen, so daß wird.

eine gleichmäßige Strömungsverteilung am Einlaß Es wird bemerkt, daß die in F i g. 4 dargestellte des Kerns gesichert ist und ein zusätzlicher Druck- Anordnung die Strahlen aus den Rohren 34 so abfall für den Austritt des Mediums durch die seit- richtet, daß eine Querströmung durch die Brenn-Iichen Schlitze 39 in den Rohren 34 verfügbar ist. 30 elementanordnung von ihrem Zentrum nach außen Der erste Schlitz in jedem Rohr 34 hält ziemlich erzeugt wird. Diese Querströmung vergrößert die großen Abstand vom Einlaß des Rohrs, z. B. ein Mischwirkung innerhalb der Brennelementanordnung Drittel oder die Hälfte der Rohrlänge im Kern des ' und senkt den Wärmeinhalt des Mediums in den Reaktors. An ihrem oberen Ende sind die Rohre 34 Kanälen mit einem hohen Enthalpieansticg und vermit Abschlußdcckcln (in denen die Luftöffnungen 41 35 bessert dementsprechend, wie zuvor erwähnt, die vorgesehen sind) versehen, und die Anzahl und Leistungsfähigkeit. Außerdem können in der AnGröße der Schlitze kann in geeigneter Weise ge- Ordnung von Fig. 4 die Strömungsrohre 34 in der ändert werden. Bei einem Kern mit z. B. 2,4 m äußeren Rohrreihe so konstruiert werden, daß sie als (8 feet) langen Brennelementen können sechs senk- Gleitschienen für die Regelstäbe 26 dienen. Sie bilden recht angeordnete Schlitze vorgesehen sein, von 40 zusätzlich einen kreuzförmigen Wasserkanal, der mit denen jeder ungefähr 2,5 cm (1 inch) lang und dem in der Ecke der Anordnung abgezogenen Regel-0,75 cm (0,33 inch) breit ist, und die Schlitze können stab vergleichbar ist. Dadurch wird das Verhältnis einen senkrechten Abstand von 15 cm (6 inch) halten. von maximaler zur mittlerer Leistung über den Die Orientierung der Schlitze kann so sein, daß sie Querschnitt der Anordnung und daher auch über das kalte Wasser direkt auf die heißen Kanäle rieh- 45 den Querschnitt des Kerns verbessert, ten, so daß sich die Enthalpie dieser Kanäle ver- In dem Ausführungsbeispiel der F i g. 6 bis 16 sind ringen, oder sie können so gerichtet sein, daß in der Vorrichtungen dargestellt, bei denen die Anwendung Ansammlung der Brennelemente eine Querströmung der Erfindung von besonderem Vorteil und sogar entsteht, welche ebenfalls den Wärmeinhalt der vorteilhafter als bei der zuvor beschriebenen Anordhcißen Kanäle durch eine verstärkte Mischung des 50 nung mit kreuzförmigen Regelstäben ist. Bei diesem Kühlmittels und eine Querströmung innerhalb der Ausführungsbeispiel treten an die Stelle der kreuz-Anordnung bewirkt. Das erste oder zentrale Rohr 34 förmigen Regelstäbe vier ähnliche Regelstäbe, die kann zur Aufnahme von Instrumenten oder, falls verglichen mit den Brennstoffstäben groß sind. Durch erforderlich, ebenfalls als Strömungsrohr mit die Verwendung dieser großen Regelstäbe und die Schlitzen 39 ausgebildet sein. 55 Beseitigung der kreuzförmigen Regelstäbe können Die Größe der Enthalpieverringerung in den die Brennelementanordnungen nebeneinander ange-Kanälen mit großem Enthalpieanstieg ändert sich ordnet werden, so daß die großen Wasserkanäle zur entsprechend der Auslegung des Kerns und der rela- Aufnahme der kreuzförmigen Regelstäbe vcrschwintivcn Anordnung der Rohre in den heißen Kanälen. den. Jede Brennelementanordnung dieses modifizier-Glcichgültig, wie das Kühlwasser in den Kern in 60 ten Ausfühmngsbeispiels enthält eine im wesentlichen einer von seinem Eingang ziemlich weit entfernten gleichförmige und symmetrische Reihe von Füh-Stdle eingeführt wird, ergibt sich immer dann eine rungsrohrcn zur Aufnahme der Rcgelstäbe. auch Verringerung des Wärmeinhalts in dem Bereich wenn nur ein Teil der Anordnungen mit Rcgelstäben hoher Leistung, solange die Einführung eine Rühr- versehen ist. Die Anordnungen sind daher identisch, wirkung in diesem bestimmten Bereich hoher Lei- 65 so daß ein befriedigendes Verhältnis von maximaler stuiifstiichtc hervorruft, da diese die Mischung des zur mittlerer Leistungsdichte über den ganzen Quer-Wjisscrs in din Kanälen mit großem Enthalpieansticg schnitt des Kerns erreicht wird und gleichzeitig alle mil dem in den benachbarten Kanälen verstärkt, was Anordnungen untereinander austauschbar sind. Nach

7 V 8

der vorliegenden Erfindung bilden diese Führungs- es zuvor an Hand der Fig. 1 bis 6 beschrieben

rohre auch die Strömungsrohre, die einen Neben- wurde, so daß die Verteilung der Strömung durch

Schluß im ersten Teil des Kerns herstellen, durch die Rohre 156 wirksamer wird. Die Verbindung zu

den, wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel den Rohren 156 stromaufwärts vor der Stützplatte

bschrieben, ein Teil des Kühlmittels strömt. Bei 5 116 wird durch Stutzen 127 hergestellt, die in öff-

dieser Anordnung sind jedoch die Stellen erhöhter nungen 129 in der Platte 116 (Fig. 18) befestigt

Leistungsdichte die Bereiche um die Führungsrohre, sind. Zur Erleichterung der Montage ist das obere

da sich in diesen der Moderator befindet. Durch die Ende des Stutzens und das untere Ende des Rohrs

gleichzeitige Verwendung dieser Führungsrohre als 156 abgeschrägt. In den Eingang des Stutzens 127

Strömungsrohre, welche Wasser seitlich in das Innere ₁₀ ist eine entfernbare Blende 131 eingeschraubt, deren

des Kerns spritzen, wird eine besonders wirksame Zweck später beschrieben wird. (Die Rohre 134 des

Anordnung zur Verbesserung des thermischen Spiel- Ausführungsbeispiels der F i g. 1 bis 6 sind vorzugs-

raums in den Bereichen hoher Leistungsdichte und weise an ihrem Einlaß mit einem ähnlichen Stutzen

hohen Enthalpieanstiegs erzielt. oder einer ähnlichen Blende versehen).

Dieses modifizierte Ausführungsbeispiel enthält _l5 Ein Teil der Brennelementanordnungen im Reakeinen Reaktor 110 mit einem Kessel 126, einer ther- torkern, der ein Drittel der Gesamtzahl der Anordmischen Abschirmung 128, einem Träger für den nungen betragen kann, ist mit Regelstabanordnungen Kern 122, der von der Kante 124 herabhängt, mit 164 versehen. Jede dieser Regelstabanordnungen einer Stützplatte 116 und einer Abschirmung 120, enthält mehrere der großen fingerähnlichen Stäbe die um den Kern 112 herum angeordnet ist. Das _ao 166, die in der Fig. 12 dargestellt sind. An ihren Kühlmittel strömt durch den Stutzen 140 abwärts oberen Enden sind diese Stäbe durch ein Armkreuz zum unteren Ende des Kessels, dann aufwärts durch 168 verbunden, das mit einem Verbindungsglied 170 die Löcher 118 in der Platte 116 und dann weiter zum Anschluß an ein Betätigungsglied versehen ist. aufwärts durch die Löcher 118 in der Platte 116 und Die Armkreuze sind mit Vorsprüngen 172 versehen, dann weiter aufwärts durch den Reaktorkern und 25 die als Gleitflächen während der Bewegung dienen, ab über den Stutzen 142. Oberhalb des Kerns ist Die obere Paßplatte 157 am oberen Ende der Brenneine Rückhalteplatte 130 angeordnet, die durch die elementanordnung ist, wie in Fig. 10 dargestellt, Schürze 136 an der Platte 134 aufgehängt ist. Die kreuzförmig ausgebildet, während dagegen das untere Schürze 136 ist mit Löchern 138 zum Durchtritt des Ende 148, wie in F i g. 9 dargestellt, mit vielen öff-Kühlmittels verschen. Der Kern 112 besteht aus ₃₀ nungen 152 zum Durchtritt der Flüssigkeitsströmung mehreren Brennelementanordnungen 114, und es versehen ist. Die Anordnungen sind auf der Platte sind Vorkehrungen getroffen, so daß sich die großen 116 durch Stehbolzen 154 gelagert, die an der unte-Regelstäbe in bestimmte der Anordnungen erstrecken rer Endplatte 148 befestigt sind,
können. In F i g. 6 ist die Abschirmung 132 für die Die Regelstäbe 166, die niemals völlig aus dem Regelglieder und die Stutzen 144 dargestellt, an ₃₅ Kern herausgezogen sind, sind bezüglich der Rohre denen die Antriebsvorrichtungen für die Regelstäbe 156 so bemessen, daß sie die Strömung in den Rohmontiert sind. ren so weit wirksam einschränken, daß nur eine

Die Brennelementanordnungen des Kerns sind geringe Strömung an den Regelstäben zur Kühlung identisch und von der in den Fig. 7 bis 11 darge- vorbeifließen kann. Damit den oberen Enden der stellten Konstruktion. Sie bestehen aus vielen Brenn- 40 Rohre 156, in denen sich kein Regelstab 166 bestoffstäben 146, die nebeneinander angeordnet sind findet, keine größere Flüssigkeitsmenge entströmt, und deren Rohre aus Zirkoniumlegierung gesinterte ist eine Platte 158 an der Rückhalteplatte 130 be-UO₂-KugeIn oder anderen Brennstoff enthalten. In festigt, die ihrerseits am unteren Ende der Schürze Fig. 8 ist eine 14Xl4-Anordnung dargestellt, d.h., 136 angebracht ist. Diese Platte 158 ist mit abwärts auf jeder Seite der quadratischen Anordnung be- 45 gerichteten Bolzen 159 versehen, die relativ eng in finden sich 14 Brennelemente, und in Fig. 17 ist die Rohre 156 passen, so daß zwischen den Bolzen eine 12X12-Anordnung dargestellt. Die Brennele- 159 und dem Rohr 156 nur eine geringe Strömung mente werden in ihrer parallelen Lage durch die durchtritt. Die Bolzen 159 dienen als Zentrierbolzen untere Platte 148, die Gitter 150 und eine obere für die Brennelementanordnungen ohne Regelstäbe, Vorrichtung enthalten, welche die obere Paßplatte 50 und bei den Anordnungen mit Regelstäben üben die 157 und die Eckstücke 162 enthält, die ihrerseits die Zentrierbolzen 161 (Fig. 14), die in die Löcher 160 Ecken dieser Paßplatte 157 mit dem oberen Gitter passen, dieselbe Funktion aus. Es wird bemerkt, daß 150 verbinden. Innerhalb der Brennelementanord- sich die Klammern 162 von der unteren Paßplatte nung sind in der in Fig. 3 dargestellten Weise die 157 abwärts erstrecken und an ihren unteren Enden Strömungs- oder Führungsrohre 156 angeordnet. Die 55 mit dem obersten Abstandsgitter verbunden sind, Rohre sind so bemessen, daß sie den Raum bean- wie es zuvor erwähnt wurde, und daß die Führungsspruchen, den sonst vier Brennstoffstäbe 146 ein- rohre 156 zum Zusammenhalten der gesamten nehmen. Die Führungsrohre 156 erstrecken sich nach Brennelementanordnung dienen,
oben durch die Paßplatte 157 und sind mit ihr durch Die herausgezogene Regelstabanordnung befindet einen Preßsitz verbunden und erstrecken sich in 60 sich in dem kreuzförmigen Gehäuse oder der Abgleicher Weise durch die untere Endplatte 48. Das schirmung 178, die sich von der Platte 130 nach Innere der Rohre 156 kommuniziert mit dem Be- oben erstreckt und, wie in den Fig. 14 und IS darreich des Kessels 110, der sich in Strömungsrichtung gestellt, an ihrem oberen Ende mit einer Abschlußvor der Stützplatte 116 befindet Diese Stützplatte kappe 180 versehen ist Auf der Innenseite des Geist mit vielen öffnungen 118 versehen, durch welche 65 häuses 178 befinden sich Führungsrippen 182, welche das Kühlmitel aufwärts durch den Reaktorkern über während der Bewegung der Regelstabanordnung die Brennelemente 146 strömt, um diesen Wärme zu mit den Vorsprüngen 172 der Armkreuze 168 im entziehen. Die Platte erzeugt einen Druckabfall, wie Eingriff stehen. Das Gehäuse 178 ist an der Rück-

ίο

halteplatte mit Bolzen 184 und den Fortsätzen 186 einer Stelle verringert, an der die Flüssigkeitseinbefestigt, spritzung beginnt, und daß dann der statische Druck

Das Kühlwasser strömt an der Regelslabanordnung ansteigt. Es wird bemerkt, daß der gesamte Druck

nach oben durcli die Öffnungen 174 in der Platte 30 in der Strömung des Hauptkerns beim Durchgang

und dann in den Raum, welcher die Gehäuse 178 5 durch die Platte 116, die ais »Druckabfallplatte«

umgibt und schließlich durch die öffnungen 138 und bezeichnet ist, abfällt und am Kerneinlaß, d. h. an

den Stutzen 142. der Platte 148, weiterhin gering abfällt und dann

Die Rohre 156 bilden in jeder Anordnung' und beim Durchqueren des Kerns nach und nach, weiter

in dem gesamten Kern relativ große Moderator- abfällt.

mengen, so daß in der Umgebung der Rohre eine io In Fig. 22 ist dargestellt, wie sich die Enthalpie

Leistungsdichte entwickelt wird. Jedoch hat sich durch die Einspritzung kälteren Wassers aus dem

herausgestellt, daß durch einen geeigneten Abstand Inneren der Rohre 156 in das heißere, diese Rohre

der Rohre 156 innerhalb der Brennelementanord- umgebende Medium verringert. In Fig. 23 stellt die

niingen und innerhalb des Kerns die gesamte Lei- obere Kurve, d. h. die obere gerade Linie, die ge-

stungsverteilung befriedigend wird und beträchtlich 15 samte Strömung durch den Kern dar. Die nächste

besser als bei einem Kern ist, der kreuzförmige untere Kurve stellt die Strömung durch den Haupt-

Regelstäbe, wie die in dem Ausführungsbeispiel der kern dar und zeigt, wie diese an der Stelle anwächst,

Fig. 1 bis 6, benutzt. Das Verhältnis von maximaler an der die Flüssigkeit von den Rohren 156 einge-

ZU mittlerer Leistung wird durch diese Anordnung spritzt wird. Am Ende des Kerns besteht ein ge

gegenüber den kreuzförmigen Regelstäben wcscnt- 20 ringer Unterschied zwischen der gesamten Strömung

lieh verbessert. Jedoch existiert in den Brennelemen- und der Strömung durch den Hauptkern, und /war

ten, die den durch die Rohre 156 gebildeten Wasser- ist dies ein Ergebnis des Leckverlustes am Oberteil

löchern benachbart sind, eine erhöhte Leistungs- der Rohre 156. Die untere Kurve stellt die Strömung

dichte, und dementsprechend wird in diesem Bereich durch die Führungsrohre dar und zeigt, wie diese

das Kühlmittel zur Verringerung der Enthalpie ein- as abfällt, wenn das Wasser in die Strömung durch den

geführt. Zu diesem Zweck sind die Rohre 156 mit Hauptkern eingespritzt wird.

öffnungen versehen, die sich in einen Bereich ihrer In Fig. 17 ist eine Änderung der in Fig. 8 dar-Länge befinden, der sich von 40 bis 80 ⁿ/o ihrer Länge gestellten Ausführung der Brennelementanordnung erstreckt, wobei der Nullpunkt der Zählung am Ein- gezeigt. Hier ist eine sogenannte 12Xl2-Anordnung laß der Rohre und sich die 100 am Auslaß befindet. 30 dargestellt, bei der 12 Brennstoffrohre auf jeder Die Öffnungen können vergleichsweise kleine Löcher, Seite der Anordnung vorgesehen sind. An Stelle der wie 139 in Fig. 8 sein, die das Kühlwasser seitlich fünf Führungsrohre 156 befinden sich hier nur vier in den Bereich hohen Enthalpieanstiegs und hoher dieser Rohre und halten von den Seiten jeweils zwei Leistungsdichte richten, so daß die Enthalpie gesenkt Rohrreihen Abstand, so daß sie jeweils die dritten und der thermische Spielraum vergrößert wird. Die 35 und vierten Gitterstellen der Brennelementanordnung, Anordnung dieses Ausführungsbeispiels ist besonders jeweils von benachbarten Seiten ausgezählt, einwirksam, da der Bereich, in den die Enthalpie ge- nehmen. Bei dieser Anordnung ergibt sich noch eine senkt werden soll, die Rohre 156 umgibt, von denen etwas bessere Verteilung der maximalen zur mittledas Wasser zu diesem Zweck eingespritzt wird. ren Leistungsdichte über den Querschnitt des Reak-Außerdem können diese Rohre 156, die den Raum 40 torkerns, jedoch sind wegen der geringeren Anzahl von vier Brennstoffstäben einnehmen, zu diesem der Rohre mehr Brennelementanordnungen erforder-Zweck eine angemessene Strömung mit vernünftigen Hch, und bei Hochleistungsreaktoren können dadurch Druckabfällen herstellen. Bei diesem Ausführungs- die Kosten vergrößert werden, beispiel wird ein Teil des Kühlmittels an dem unteren Obwohl zwei spezielle Ausführungsbeispiele der Teil des Kerns vorbeigeführt, wo der thermische 45 Erfindung beschrieben worden sind, bei denen der Spielraum mehr als ausreichend ist, und zwar da- thermische Spielraum verbessert und demgemäß die durch, daß das Kühlmittel durch die Rohre 156 Leistungsfähigkeit vergrößert ist, ist die Erfindung strömt und dann seitlich aus diesen Rohren in die doch auf jede Kernkonstruktion anwendbar, bei der Bereiche hohen Enthalpieanstiegs errichtet wird. sich Bereiche unterschiedlicher Leistungsdichte er-Dies ist am besten aus Fig. 19 ersichtlich. Diese 50 geben. Dies gilt für alle vom Kühlmittel moderierte Umleitung des Kühlmittels ist bei diesem Ausfüh- Reaktoren, die bewegliche Regelelemente besitzen, rungsbeispiel besonders wirksam zur Verringerung die sich in und aus dem Kern bewegen und die, wenn des thermischen Spielraums, in den Gebieten, wo dies sie aus dem Kern herausgezogen sind, einen Raum am notwendigstens ist, mit einem gleichzeitigen An- hinterlassen, der dann vom Moderator eingenommen stieg der Leistungsfähigkeit des Reaktors. 55 wird, so daß sich in diesen speziellen Bereichen des

Die graphischen Darstellungen der Fig. 21, 22 Kerns eine größere Bremsleistung ergibt,

und 23 beschreiben die Änderung gewisser Parameter Zusätzlich zur Verbesserung des thermischen

abhängig von der Strömung des Kühlmittels uurch Spielraums an bestimmten Stellen, an denen er ande-

den Kern. Bei den Anordnungen, auf die sich diese rerseits seinen Grenzwert erreichen würde, ergibt sich

Kurven beziehen, wird das Kühlmittel seitlich aus 60 nach der vorliegenden Erfindung eine solche Anord-

den Rohren 156 von einer Stelle, die sich von an- nung der Gesamtströmung im Reaktor, die die Lei-

nähernd der Hälfte der Rohre zu drei Vierteln ihrer stungsfähigkeit des Reaktors weiterhin erhöht In

Länge erstreckt, eingeführt. In Fig. 21 ist die Ver- Fig. 20 ist dargestellt, daß die mittlere Leistung

minderung des Druckabfalls vor der Platte 116 bis einer bestimmten Anordnung größer oder kleiner als

zum Ende des Kerns, d. h. über der Rückhalteplatte 65 der Mittelwert des gesamten Kerns sein kann. Die

130, dargestellt. Die beiden oberen, mit »Führangs- Zahlen in den in dieser Figur eingezeichneten Kästen

rohr« bezeichneten Kurven zeigen, daß sich der stellen das Verhältnis der mittleren Leistung einer

gesamte Druckabfall und der statische Druck bis zu Anordnung zur mittleren Leistung des gesamten

r "

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Kerns dar. Die Zahl 1,00 zeigt an, daß die Anordnung dieselbe mittlere Leistung wie der Kern aufweist. Die Brennelementanordnungen mit einem niedrigen Verhältnis arbeiten mit niedriger Leistungsdichte und dementsprechend mit niedrigerer Tempcratur als jene mit einem hohen Verhältnis. Es ist von Vorteil, die Gesamtströmung des Kühlmittels durch den Kern so einzurichten, daß die heißeren Brennelementanordnungen von einer größeren Strömung als die kälteren durchsetzt werden. Nach der Erfindung geschieht dies durch Blenden am Einlaß der Rohre 34 und 156 oder, genauer, an den Eingängen der Stutzen 127, welche die Strömung durch die Rohre 34 und 156 regeln. Zum Beispiel können drei Blendengrößen vorgesehen sein. Bei einem Leistungsverhältnis von 0,500 bis 0,850 kann eine Blende vorgesehen sein, die die Strömung durch die Rohre 156 im wesentlichen blockiert. Bei einem Bereich des Verhältnisses von 0,85 bis 1,05 wird eine Blende verwendet, die eine mittlere Strömung gestattet, während bei Anordnungen mit einem Verhältnis über 1,05 die Blende völlig weggelassen werden kann oder eine Blende mit größerer öffnung zur Herstellung im wesentlichen der vollen Strömung verwendet wird. Um ein Beispiel anzugeben, kann die gesamte Strö- ij mung durch die Strömungsrohre 34 oder 156 15⁰O der Gesamtströmung betragen, die aus dem oberen Ende des Reaktorkerns austritt. Die Regelung ist so, daß bei Bereichen, bei denen die Einlaßblende die Strömung im wesentlichen blockiert, die Strömung durch diese Kernbereiche ungefähr 13°/o kleiner als die mittlere Kernströmung ist. Bei Bereichen mit einer Blende mittlerer Größe kann die Strömung der mittleren Strömung entsprechen, während bei Bereichen mit einer größer bemessenen Blende die Strömung 15% größer als der Mittelwert sein kann. Auf diese Weise kann eine Regelung der Gesamtströmung in einem gänzlich geöffneten Kern erreicht werden. Damit ist gemeint, daß die Brennelementanordnungen sich nicht in irgendwelchen Gehäusen oder Kästen befinden, sondern vollständig offene Seiten besitzen, so daß eine bessere Mischung des Kühlmittels innerhalb des Kems stattfindet und die Kosten und die Neutronenabsorption in diesen Gehäusen wegfällt. Weiterhin ist es nicht nur möglich, die Strömung von einer Anordnung zur anderen zu regeln, sondern i^ kann auch die Strömung von einem Teil einer Brennelcmentanordnung zu einem anderen Teil der deichen Anordnung reguliert werden. Bei bestimmen Brennelementanordnungen kann es günstig sein, in einem oder in mehreren Rohren eine größere Strömung als in anderen zu haben, und eine solche Regelung ist nach der Erfindung ebenfalls möglich.

Es wird bemerkt, daß die F i g. 20 einen Reaktorkern darstellt, der in einem Dreizonenschema mit Brennstoff beschickt wird. Die Brennelemeritnnordnungen in dem äußeren Bereich des Kerns, d. h. jene, die nicht schraffiert oder gepunktet sind, werden bei einer Erneuerung des Brennstoffs im Reaktor mit frischem Brennstoff beschickt. Die Anordnungen, die βο gepunktet sind, sind von diesem äußeren Kernbereich nach innen gerückt und waren in dem Kern während einer Brennperiode vorhanden. Die schraffierten Anordnungen sind von den gepunkteten Bereichen in die schraffierten eingerückt und waren deshalb in dem Reaktor für zwei Brennperioden vorhanden. Auf diese Weise stellen die schraffierten und gepunkteten Brennelementanordnungen solche dar, bei denen der Brennstoff teilweise abgebrannt ist, und dies ist einer der Gründe für den speziellen Wert der Anordnung zur Verbesserung des Verhältnisses der mittleren Leistungsdichte einer Brennelementanordnung zur mittleren Leistungsdichte des Kerns.

Claims (16)

Patentansprüche:

1. Atomkernreaktor, der von einem flüssigen Moderator gekühlt wird und dessen Kern von mehreren Brennclementanordnungcn aus seitlichen Abstand haltenden Rohren so gebildet ist, daß einige Bereiche der Anordnungen eine wesentlich höhere Leistungsdichte als andere aufweisen, wobei in einigen Anordnungen Rohre vom Kühlmittel durchströmt werden und mit Wandöffnungen versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel durch die Wandöffnungen (39, 139) seitlich in die Bereiche mit höherer Leistungsdichte strömt.

2. Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dessen Kühlmittel senkrecht nach oben durch den Kern strömt, dadurch gekennzeichnet, daß sich die erste Wandöffnung in einigem Abstand über dem Boden des Kerns befindet.

3. Atomkernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß über der Länge der Rohre viele öffnungen verteilt sind.

4. Atomreaktor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandöffnungen auf dem mittleren Drittel der Rohrlänge angeordnet sind.

5. Atomkernreaktor nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche mit Regelstäben, dadurch gekennzeichnet, daß diese Regelstäbe (166) in den von Kühlmittel durchströmten Rohren (39, 139) in Längsrichtung bewegbar geführt sind.

6. Atomkernreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Regelstäbe nur wenig kleiner als der der Rohre ist.

7. Atomkernreaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Rohre (39, 139) wesentlich größer als der der Brennelemente (146) ist.

8. Atomkernreaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenneiementanordnungen aus in einem äquidistanten quadratischen Gitter angeordneten Brennelementen bestehen und daß der Querschnitt der Rohre wenigstens dem zweier Brennelemente entspricht.

9. Atomkernreaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenneiementanordnungen aus einem 12 X 12-Gitter bestehen und jeweils in den dritten und vierten Gitterplätzen jeder Seite, jeweils von der Ecke gezählt, ein Rohr angeordnet ist.

10. Atomkernreaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennelementanordnungen aus einem 14 ; 14-Gitter bestehen und jeweils in den dritten und vierten Gitterplätzen jeder Seite, jeweils von der Ecke gezählt, ein Rohr und in den zentralen vier GitterplHtzen ein weiteres Rohr angeordnet ist.

11. Atomkernreaktor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Kühlmitteleintritt des Kems nach den offenen Rohrenden Strömungswiderstände vorgesehen sind.

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12. Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dessen Moderator Wasser ist und dessen Brennelemente parallel zu den Rohren verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre am Kühlwassereintritt des Kerns offen sind.

13. Atomkernreaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung in verschiedenen Rohren durch verschieden bemessene Strömungswiderstände im offenen Ende der Rohre unterschiedlich groß ist.

14. Atomkernreaktor nach Anspruch 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre und ihre Wandöffnungen so angeordnet sind, daß die Strömung vom Mitteheil der Brennelementanordnung in ihre äußeren Bereiche gerichtet ist

15. Atomkernreaktor nach Anspruch 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Brennelementanordnungen rechteckigen Querschnitts von einem Moderator enthaltenden Kanal umgeben ist und die Rohre nahe ihren Ecken, d.h. im Bereich der höchsten Leistungsdichte, angeordnet sind.

16. Atomkernreaktor nach Anspruch 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kanälen um die rechteckigen Brennelementanordnungen Regelstäbe kreuzförmigen Querschnitts geführt sind.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen