DE4028947C2 - Nuklearreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Nuklearreaktor mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Ein derartiger Reaktor ist insbesondere zur Verwendung im Weltraum bestimmt.

Nuklearreaktoren, die zur Verwendung im Weltraum ausgelegt sind, können gemäß der Energieverteilung der Neutronen in dem Kern klassifiziert werden. Diese Energieverteilung kann gemäß der Menge und der Art des Moderators (Material, das den Energiepegel der Neutronen reduziert) und des Reflektors (Material, das Neutronen in den Kernbereich zurückgibt oder reflektiert) zugeschnitten werden, die in dem und um den Kern herum verwendet werden. Im allgemeinen werden die folgenden drei Klassifikationen verwendet:

Zunächst ist ein schneller Reaktor ein solcher, bei dem nur wenig oder gar kein Moderator verwendet wird und die mittlere Neutronenenergie nahe an der ist, bei der die Spaltneutronen erzeugt werden. Der erste erfolgreiche Raumreaktor bzw. Weltraumreaktor, SNAP-8, und der derzeitig im Entwicklungszustand befindliche SP-100 sind Beispiele dieses Typs. Sie sind gewöhnlich flüssigmetallgekühlte Reaktoren und durch eine relativ hohe spezifische Brennstoffmasse (Kg/Kw) gekennzeichnet.

Beim zweiten, einem Zwischenreaktor bzw. intermediären Reaktor, liegt die mittlere Neutronenenergie, bei der Spaltung auftritt, im Bereich von einigen Elektronenvolt (eV) bis zu einigen tausend Elektronenvolt (KeV). Ein Beispiel dieses Typs ist der NERVA-Typ-Antriebsreaktor, der zum Teil durch die Graphitmatrix der Brennstoffelemente und zum Teil durch separate Säulen von Zirkonhydrid moderiert wird. Diese Reaktoren sind für den Kurzzeitbetrieb mit sehr hoher Leistung geeignet und sind, verglichen mit jüngsten Konzeptentwicklungen, relativ massiv.

Beim dritten, einem Wärmereaktor, ist die mittlere Neutronenenergie, bei der Spaltung auftritt, geringer als ein Elektronenvolt. Bei diesem Energiepegel werden die Spaltungsquerschnitte der wichtigen Spaltmaterialien sehr groß und die Spaltlast bzw. Spaltladung wird relativ zu der reduziert, die bei den ersten zwei Reaktortypen erforderlich ist. Aufgrund der großen Spaltungsquerschnitte erfordern Wärmereaktoren wesentliche Mengen an effizientem Moderator zwischen den Brennstoffelementen und um diese herum. Die in einem Wärmereaktor relativ geringe Menge an erforderlichem Spaltmaterial liefert wesentliche Vorteile gegenüber schnellen Reaktoren und Zwischenreaktoren.

Derzeit sind eine Anzahl von Weltraummissionen nicht durchführbar aufgrund der Masse des Antriebssystems und/oder des bordeigenen Spannungsversorgungssystems. Für den Fall eines nuklearen Systems mit einem festen Moderator und hoher Leistungsdichte wirkt sich eine angemessene Kühlung des Moderators als schwerwiegender Nachteil hinsichtlich der Masse aus. Das Erfüllen von Sicherheitsanforderungen wirkt sich darüber hinaus nachteilig auf die Masse aus. Ein weiteres Problem, das einige Missionen limitiert, ist die Verschlechterung des Reaktormode­ rators, verursacht durch Strahlungsbeschädigung. Aus dem Vorangegangenen kann geschlossen werden, daß eine Notwendigkeit für in Weltraumanwendungen verwendete Reaktoren besteht, die eine erhöhte Sicherheit, eine geringe spezifische Masse und die Möglichkeit eines verlängerten Hochleistungsbetriebs ohne Strahlungsbeschädigung des Moderators bieten.

Der Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE-OS 15 14 338 bekannt. Daraus ist ein Druckrohrreaktor bekannt, bei dem die Brennstoffelemente und die Mantelrohre ohne Zwischenschaltung einer Kernhülle im Reaktorbehälter untergebracht sind. Der bekannte Druckrohrreaktor beruht auf der Konzeption, daß das die Spaltstofftabletten umgebende Druckrohr einer sehr hohen Temperatur ausgesetzt ist, während das Mantelrohr von einem relativ kühlen Moderatormaterial umgeben ist. Weil dabei ein hoher Temperaturgradient auftritt, wird in der DE-OS vorgeschlagen, im Raum zwischen Druckrohr und Mantelrohr ein Isoliermaterial anzuordnen, wodurch der Temperaturgradient verringert und dem Auftreten von unerwünschten thermischen Spannungen entgegengewirkt wird. Ein Wärmefluß vom Moderator zum Primärkühlmittel findet nicht statt.

Aus dem DE-GM 18 48 988 ist bekannt, daß Kernreaktoren mit getrennten Moderator- und Kühlmittelkreisläufen ausgebildet sein können. Es wird dabei mit einem heißen Kühlmittel gearbeitet, wobei ein negativer Temperaturkoeffizient eintritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Reaktorbehälter der als bekannt vorausgesetzten Art so weiterzubilden, daß die Kühlung verbessert wird und daß bei erhöhter Sicherheit eine geringe spezifische Masse und die Möglichkeit eines verlängerten Hochleistungsbetriebs ohne Strahlungsschädigung des Moderators erreicht werden.

Die Lösung dieser Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen erreicht.

Anders als beim Stand der Technik findet gemäß der Erfindung ein Wärmefluß vom Moderator zum Kühlmittel statt, was durch die auf der Außenseite der Mantelrohre angeordneten Rippen begünstigt wird, denn das Abführen von Wärme von dem Moderator wird durch eine erzwungene Zirkulation des flüssigen Moderators durch eine Gruppe von wärmeleitenden Rippen erzielt, die von dem Mantelrohr in die Flüssigkeit hineinragen. Dabei bildet die Kernhülle zusammen mit der Innenwand des Reaktorbehälters einen Teil des Zirkulationskreislaufs des Moderators. Die Brennstoffelemente sind von einem flüssigen Moderator umgeben, der das Neutronenenergiespektrum in einen Bereich höherer Spaltungswahrscheinlichkeit verschiebt. Dies ermöglicht eine anhaltende Kettenreaktion und eine Leistungserzeugung mit minimalem Aufwand von Reaktorbrennstoffen und von Reaktormasse. Im Gegensatz zu herkömmlichen wassermoderierten Reaktoren wird der flüssige Moderator nicht bei dem Energieumwandlungsprozeß verwendet.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung.

Fig. 1 ist eine Seitenschnittansicht eines Nuklearreaktors, die den Fluß des gasförmigen Kühlmittels gemäß der Erfindung erläutert;

Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht der mittleren Ebene gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ist eine Seitenschnittansicht eines Nuklearreaktors, die den Modera­ tor/Reflektorfluß gemäß der Erfindung darstellt;

Fig. 3A ist eine Detailansicht, die ein geripptes Mantelrohr und den Rückkehrflußweg von dem Reflektor zu dem Moderatorbereich des Reaktorkerns darstellt;

Fig. 4 ist eine Seitenteilschnittansicht eines Nuklearreaktors gemäß der Erfindung;

Fig. 4A bis 4C sind Detailansichten, die den Flußweg des gas­ förmigen Kühlmittels darstellen; und

Fig. 5 stellt eine alternative Ausführungsform der Erfindung dar.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung ist zu sehen, daß die Erfindung allgemein mit 10 bezeichnet ist. Der Nuklearreaktor 10 hat einen Reaktorbehälter 12 mit einem Primärkühlgasauslaßsammler 14, einer Kernhülle 16, Brennstoffelementen 18, Sicherheitsstäben 20 und Steuertrommeln 22. Für die Sicherheitsstäbe 20 und die Steuertrommeln 22 sind auch Antriebe 24 vorgesehen. Instrumenten- bzw. Steuersignale und Leistung führende Anschlüsse gehen über eine Kopfpenetrations­ düse 26 in den Reaktor 10. Der Nuklearreaktor 10 ist im wesentlichen ein herkömmlicher Nuklearreaktor bezüglich der Verwendung eines Reaktorbehälters, von Brennstoffelementen, Sicherheitsstäben und Steuertrommeln, wobei Verbes­ serungen für Nuklearreaktoren vorgesehen sind, die Anwendungen im Weltraum dienen.

Ein Primärkühlmitteleinlaßweg 28 ist an der äußeren Wand des Primärkühlmittel­ auslaßsammlers 14 vorgesehen. Wie es aus der Detailansicht gemäß Fig. 4A zu sehen ist, besteht der Weg 28 aus einer allgemein torus- oder halbkreisförmigen Form in der bevorzugten Ausführungsform. Wie es am besten aus Fig. 4 und der Detailansicht Fig. 4B zu sehen ist, führt der Einlaßweg 28 das Primärkühlmittel zu dem Einlaßsammler 30 benachbart zu der Verteilerplatte 32. Während des Abführens von Hilfswärme fließt gasförmiges Kühlmittel in den Sammler 28 über Düsen 46.

Wie es aus den Fig. 1 und 4B zu sehen ist, ist die Verteilerplatte 32 über Bolzen an eine Kernrille 16 angeschlagen und erstreckt sich über den unteren Abschnitt des Reaktorgefäßes 12 über den Primärkühlmittelauslaßsammler 14. Wie es am besten aus der Detailansicht gemäß den Fig. 4B und 4C zu sehen ist, ist die Verteilerplatte 32 mit Durchgängen 34 versehen, die das Primärkühlmittel zu einem Spalt 38 führen, der zwischen jedem Mantelrohr 36 und dem Brennstoffelement 18 vorgesehen ist, das er umgibt. Wie es aus Fig. 4C zu sehen ist, sind die Mantelrohre 36 und die Brennstoffelemente 18 in der Verteilerplatte 32 montiert, um einen Spalt 38 zu bilden. Die Brennstoff­ elemente 18 erstrecken sich auch unterhalb der Verteilerplatte 32 in den Primärkühlmittelauslaßsammler 14, wie es aus den Fig. 1, 3 und 4 zu sehen ist, so daß das Innere jedes Brennstoffelements 18 in Fluidverbindung zu diesem steht. Das Primärkühlmittel fließt von dem Spalt 38 über poröses Material 40, wie durch den Pfeil in Fig. 4C angedeutet, und in das Zentrum 42 des Brennstoffelements 18 und fließt dann über das Brennstoffelement 18 nach unten in den Primärkühl­ mittelauslaßsammler 14.

Der Reaktorbehälter 12 ist mit Düsen 44 versehen, die verwendet werden, um eine Abführflüssigkeit von dem Reaktorkern einzubringen. Während des Reaktorbe­ triebs wird die Flüssigkeit durch den Moderatorbereich zirkuliert, der durch das Innere der Kernhülle 16 und das Äußere der Mantelrohre 36 gebunden ist. Wie es aus Fig. 3 zu ersehen und durch Pfeile dargestellt ist, tritt die Flüssigkeit dann in Zirkulationspumpen 45 ein, wird durch die Pumpen in den oberen Kopf abgeführt und fließt nach unten, um und durch die Steuertrommeln 22 in den Reflektorbereich, der durch den Reaktorbehälter 12 und die Kernhülle 16 gebunden bzw. begrenzt ist.

Wie es aus Fig. 3A zu sehen und durch Pfeile dargestellt ist, vervollständigt die Flüssigkeit dann ihre Zirkulationsschleife, indem sie in den Moderatorbereich über Durchgänge fließt, die in der Kernhülle 16 am unteren Ende vorgesehen sind.

Die Brennstoffelement-Gehäusezwingen 36 sind - wie aus Fig. 3A ersichtlich - mit Rippen versehen, die sich von dem äußeren Umfang des Mantelrohrs in die Flüssigkeit erstrecken und dazu dienen, Wärme von der Flüssigkeit an das gasförmige Primärkühlmittel zu leiten, das im Inneren der Mantelrohre 36 fließt. Bei herkömm­ lichen terrestrischen Wassermoderatorreaktoren geht der Wärmefluß zur brauch­ baren Energieerzeugung in den flüssigen Moderator bei den Brennstoffelementen und nicht, wie bei dem Reaktor der Erfindung, von der Flüssigkeit weg.

Der flüssige Moderator/Reflektor ist, während der Herstellung, des Transports am Erdboden, während des Abschusses und während Einrichtung bzw. Entsorgung, nicht an seiner Stelle, wodurch die Reaktorsicherheit erhöht wird, da der Reaktor unterkritisch gehalten wird. Wenn der Betrieb beginnt, wird der flüssige Moderator/Reflektor in den Reaktorbehälter 12 über Füll-Abführ-Düsen 44 hinzugegeben, und zwar zur Zirkulation in dem Kern wie oben beschrieben. Der flüssige Moderator/Reflektor ermöglicht, daß die relativ geringe Menge von Spaltmaterial in den Brennstoffelementen 18 in dem Kern kritisch wird (eine selbstaufrechterhaltende Reaktion wird) und daß die Steuertrommeln und andere Systemkomponenten gekühlt werden.

In der bevorzugten Ausführungsform ist das Primärkühlmittel ein Gas, das für eine derartige Verwendung geeignet ist, und der flüssige Moderator/Reflektor ist Wasser. Ein anderer geeigneter flüssiger Moderator/Reflektor kann auch verwendet werden, so wie zum Beispiel verschiedene organische Flüssigkeiten.

In Fig. 5 ist eine Alternative zu dem bevorzugten Einsatz gezeigt, wobei ein außerhalb des Reaktors angeordneter Wärmetauscher zur unterstützenden Wärmeabfuhr aus dem flüssigen Moderator vorgesehen ist. Der flüssige Moderator zirkuliert durch den Kern von den unteren Fülldüsen nach oben durch die Moderator- und Reflektorbereiche und in den oberen Kopf. Aus dem oberen Reaktorkopf tritt die Flüssigkeit aus dem Kern aus, läuft durch eine Pumpe 47 und fließt in den Wärmetauscher 48, wo sie durch das Kühlgas gekühlt wird, bevor das Gas (bzw. die Flüssigkeit) in den Reaktor eintritt. Der flüssige Moderator fließt dann von dem Wärmetauscher in den Kern über die Füll/Abführ- Düsen 44. Das Kühlen des flüssigen Moderators wird in dem Kern erzielt, wie bei dem bevorzugten Ansatz beschrieben.

Claims (4)

1. Nuklearreaktor mit einem Reaktorbehälter, mit Brennstoffelementen und Sicherheitsstäben, mit einem jedes Brennstoffelement mit Abstand umgebenden Mantelrohr, wobei in dem zwischen Brennstoffelement und Mantelrohr gebildeten Spalt ein Primärkühlmittel fließt, und mit einer Einrichtung zum Zirkulieren eines flüssigen Moderators durch den Reaktorbehälter, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a. Im Inneren des Reaktorbehälters (12) ist eine Kernhülle (16) angeordnet, welche die Brennstoffelemente (18) mit ihren Mantelrohren (36) umgibt;
• b. in dem Raum zwischen der Kernhülle (16) und den Mantelrohren (36) fließt der flüssige Moderator;
• c. das Primärkühlmittel ist kühler als der flüssige Moderator;
• d. an der Außenwand jedes Mantelrohrs (36) sind Rippen angeordnet, um den Wärmeübergang vom flüssigen Moderator zu dem in dem Spalt zwischen Mantelrohr (36) und Brennstoffelement (18) fließenden Primärkühlmittel zu fördern.

2. Nuklearreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das primäre Kühlmittel ein Gas ist.

3. Nuklearreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Zirkulieren eines flüssigen Moderators Pumpen und Füll- und Abführ-Düsen an dem Reaktorbehälter hat.

4. Nuklearreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Reaktors ein Wärmetauscher (48) angeordnet ist, der in Fluidverbindung mit dem flüssigen Moderator und mit dem Primärkühlmittel des Reaktors steht, um Wärme von dem flüssigen Moderator an das Primärkühlmittel zu leiten.