DE1010202B

DE1010202B - Kernreaktorsystem, dessen Reaktivitaet durch Veraenderung des Niveaus einer Moderator- oder Reflektorfluessigkeit auf pneumatischem Wege geaendert wird

Info

Publication number: DE1010202B
Application number: DED21930A
Authority: DE
Inventors: Dr Erich Bagge; Dr Kurt Diebner; Horst Borgwald
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1955-12-15
Filing date: 1955-12-15
Publication date: 1957-06-13

Description

DEUTSCHES

Die Steuerung von Kernreaktoren kann unter anderem durch die Veränderung der Eintauchtiefe von Absorptionsstäben im Reaktorkern oder im Reflektor vorgenommen werden. Dieses viel angewendete Verfahren setzt ein betriebssicheres Arbeiten aller mit den Regelstäben verbundenen Apparateteile voraus. Da dies jedoch nicht immer gewährleistet ist, hilft man sich normalerweise so, daß man mehrere unabhängig voneinander arbeitende Steuerungseinrichtungen gleichzeitig einrichtet, von denen jede einzelne bereits ausreicht, um den Reaktor vollständig auszusteuern. Es ist auch bekannt, flüssigkeitsmoderierte Reaktoren durch Veränderung des Moderatorniveaus zu steuern, wobei die Moderatorflüssigkeit in einem gesonderten Vorratskessel untergebracht sein kann. Beim Betrieb für wissenschaftliche und auch für technische Zwecke, z. B. für die Krafterzeugung, ist es wichtig, Steuerungsverfahren zu haben, die beim Versagen irgendwelcher Teile dieser Einrichtungen immer so arbeiten, daß der Reaktor automatisch abgeschaltet wird. Außerdem aber ist es erwünscht, daß solche Regelungs- und . Steuervorrichtungen die Energieprodukte· auch automatisch drosseln, herabsetzen und sogar beenden, wenn durch irgendwelche Zufälligkeiten ein unvorhergesehener Leistungsanstieg des Reaktors eintritt.

Erfmdungsgemäß soll nun ein flüssigkeitsmoderierter bzw. mit einem flüssigen Reflektor versehener Reaktor so ausgestaltet werden, daß eine Steuerung und Stabilisierung durch Verändern des Moderator- bzw. Reflektorniveaus erfolgt, in der Weise, daß in einem aus zwei Kesseln .bestehenden Reaktorsystem, von denen der eine den eigentlichen Reaktor aufnimmt, während der andere als Vorratsbehälter für die Moderator- bzw. Reflektorflüssigkeit dient, der Austausch der Moderator- bzw. Reflektorflüssigkeit zwischen den beiden Kesseln durch die Differenz der in ihnen herrschenden pneumatischen Drücke bewirkt wird. Zur Erläuterung des Prinzips diene die Abb. 1.

Wir sperren im Zylinder 1 eine feste Gasmenge über der Sperrflüssigkeit 2 ab. Das Gas wird mit dem Volumen V5 auf die Temperatur Γ6 gebracht; auf den rechten Flüssigkeitsspiegel übt eine Pumpe (durch Kolben 3 angedeutet) den äußeren Druck p aus. Durch die Wahl dieser zwei Parameter ist das Volumen über dem linken Flüssigkeitsspiegel bestimmt. Es gelten

Kernreaktorsystem, dessen Reaktivität
durch Veränderung des Niveaus einer
Moderator- oder Reflektorflüssigkeit auf pneumatischem Wege geändert wird

F= V₀- ftp. T)

δ V \

JT

Anmelder:

Dr. Kurt Diebner, Hamburg-Harburg,
Corduaweg 16

Dr. Erich Bagge, Hamburg-Wandsbek,

Dr. Kurt Diebner, Hamburg-Harburg,

und Horst Borgwald, Barsbüttel bei Hamburg,

sind als Erfinder genannt worden

A¹L

0.

T =const

Es liegt nahe, den Zylinder 4 in Wärmekontakt mit dem Reaktor oder einem Teil eines Reaktors zu bringen und aus der Änderung des Volumens V 5 die Steuerung des Reaktors abzuleiten. Hierbei soll eine Zunahme von VS den Reaktor ins unterkritische Gebiet steuern. Aus den beiden Differentialgleichungen ergibt sich, daß eine solche Steuerung selbststabilisierend arbeitet, solange p nicht verändert wird, während die Regelung von außen — durch Wahl des Drucks p — so erfolgt, daß eine Begrenzung durch Überdruckventil möglich ist und beim Ausfall der Pumpe eine automatische Abschaltung des Reaktors eintritt. Wesentlich für die Betriebssicherheit einer solchen Regelautomatik ist nun, daß eine Volumenänderung Δ V den erwünschten Regelvorgang unmittelbar ohne Einführung von Schaltelementen usw. bewirkt. Hierzu dient lediglich die mit der Volumenänderung Δ V verknüpfte Verlagerung der Oberfläche der Sperrflüssigkeit.

Tn Abb. 2 ist an einem Beispiel gezeigt, wie man die Steuerung tatsächlich, vornehmen kann. Zwei

709 548/372

Druckkessel 7 und 5 sind durch eine Verbindungslei tung 9 über eine Drossel 6 miteinander verbunden. Im Kessel 7 befindet sich der Reaktor 1, der beispielsweise aus einer Anzahl von festen Brennstoffelementen besteht, die geometrisch so angeordnet sind, daß sie ohne Füllung ihrer Zwischenräume mit Wasser oder einer sonstigen Moderatorflüssigkeit im ganzen eine unterkritische Anordnung darstellen, daß aber durch Auffüllung dieser Zwischenräume mit der Moderatorflüssigkeit der Reaktor überkritisch wird. Der Reaktor 1 innerhalb des Kessels 7 kann sich auch seinerseits noch wieder in einem Gefäß befinden oder auch nicht und beispielsweise ein »Flüssigkeitsreaktor« sein oder ein sonstiger homogener oder inhomogener Reaktor, der durch Veränderung der Höhe der in diesem Fall als Reflektor dienenden Flüssigkeit unter- oder überkritisch wird.

Der Reservekessel 5 ist zum Teil mit Flüssigkeit gefüllt, er steht über das Rohr 11 mit einer Pumpe in Verbindung, die in dem Volumen oberhalb des Flüssigkeitsspiegels den Druck p (10) aufrechterhält. Im Ruhezustand, d. h. bei Abwesenheit von Fremddruck über die Rohr leitung 11, befindet sich der Spiegel der Bremsflüssigkeit beispielsweise in Stellung 13. Die Füllung diar beiden Kammern, die über die Drossel 6 miteinander verbunden sind, wird dabei so vor genommen, daß der Reaktor etwa nur teilweise von Bremsflüssigkeit bedeckt ist, bzw. so, daß er nicht zur Selbsterregung kommt. Wird nun die Pumpe 10 eingeschaltet, so steigt der Druck im Reservevolumen 5 an und senkt den Flüssigkeitsspiegel etwa in Stellung 14, wobei gleichzeitig im Reaktorkessel das Flüssigkeitsniveau bis zur Stellung 4 ansteigt, so daß er, beispielsweise völlig bedeckt, ins überkritische Gebiet kommt und Energie zu produzieren beginnt. Zugleich erwärmt er auf diese Weise die Bremsflüssigkeit. Durch Variation des Druckes im Reservevolumen 5 läßt sich das Leistungsniveau des Reaktors einstellen. Tritt nun z. B. bei festgehaltenem Druck ρ im Reservevolumen 5 eine durch irgendwelche Umstände ausgelöste Überproduktion an Energie im Kessel 7 ein, so steigt in diesem der Flüssigkeitsdampfdruck an und bewirkt eine Senkung des Flüssigkeitsspiegels etwa in eine Stellung zwischen 3 und 4, die automatisch eine Leistungsabnähme des Reaktors zur Folge hat. Dies kann unter Umständen so weit gehen, daß der Reaktor aufhört, Energie zu produzieren. Dasselbe kann eintreten, wenn etwa der Druck im Reservevolumen 5 durch Ausfall der Pumpe 10 absinkt. Der Drossel 6 fällt bei diesem Spiel der Steuerungseinrichtung die Aufgabe zu, eine verzögerte Einstellung der Reaktorieistung zu bewerkstelligen, um ein periodisches Auf- und Abschwingen der Energieproduktion zu verhindern. Zweckmäßigerweise wird die Drosselung so eingestellt werden, daß man sich in der Nähe des Grenzfalles der aperiodischen Dämpfung dieses schwingenden Systems befindet.

Dasselbe Verfahren kann in analoger Weise auf Homogenreaktoren angewendet werden, wobei nur dafür zu sorgen ist, daß der Reservekessel 5 eine geometrische Gestalt besitzt, die bei Füllung mit der Reaktorflüssigkeit nicht zu einem selbsterregten Reaktor auf dieser Seite fuhrt, oder daß er auf andere Weise unkritisch gehalten wird.

Claims

Patentansprüche.·

1. Kernreaktorsystem, dessen Reaktivität durch Veränderung des Niveaus einer Moderator- oder Reflektorflüssigkeit geändert wird und das aus zwei durch eine Verbindungsleitung miteinander verbundenen Kesseln besteht, von denen der eine den eigentlichen Reaktor aufnimmt, während der andere als Vorratskessel für die Moderator- oder . -Reflektorflüssigkeit dient, dadurch gekennzeichnet, daß der Austausch der Moderator- oder Reflektorflüssigkeit zwischen den beiden Kesseln durch die Differenz der in ihnen herrschenden pneumatischen Drücke bewirkt wird.

2. Kernreaktorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbindungsleitung zwischen den beiden Kesseln eine steuerbare Drossel eingebaut ist, die den Flüssigkeitsstrom so weit dämpft, daß ein periodisches Auf- und Abschwingen des Flüssigkeitsniveaus verhindert wird, wobei sich zweckmäßig die bremsende Wirkung der Drossel in der Nähe des Grenzfalles der aperiodischen Dämpfung hält.

3. Kernreaktorsystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsspiegel des Vorratskessels durch einen Steuerdruck mit Hilfe einer Druckpumpe einstellbar ist.

4. Kernreaktorsystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung zwischen den beiden Kesseln flexibel ist, so daß durch relative Änderung der Höhenlage der Kessel eine zusätzliche Steuerungsmöglichkeit gegeben ist.

5. Verfahren zur Inbetriebnahme eines Kernreaktorsystems nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den Reaktor vor Inbetriebnahme mit Moderator- oder Reflektorflüssigkeit so weit füllt, daß bei gleicher Höhe der Flüssigkeitsspiegel im Reaktorkessel und im Vorratskessel der Reaktor eben noch unterkritisch ist.

6. Kernreaktorsystem nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfdruck der durch den Reaktorkern erwärmten Flüssigkeit im Reaktorkessel dazu verwendet wird, die Flüssigkeit über die Verbindungsleitung in den Vorratskessel fortzudrücken und dadurch den Flüssigkeitsspiegel im Reaktorkessel zu senken für den Fall, daß die Druckpumpe oder eine sonstige zur Einstellung des Flüssigkeitsspiegels vorgesehene Einrichtung versagt, um auf diese Weise den Reaktor ins unterkritische Gebiet zu steuern und so die weitere Energieproduktion zu beenden.

7. Kernreaktorsystem nach Anspruch 1 bis 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Seite des Vorratskessels der Steuerungsdruck auf thermischem Wege durch Verdampfen einer erhitzten Flüssigkeit oder durch direkte zusätzliche Erhitzung der Flüssigkeit im Vorratskessel selbst erzeugt wird, wobei es unter geeigneten Bedingungen erreicht werden kann, daß sich das ganze System in seiner Energieproduktion automatisch selbst steuert.

8. Kernreaktorsystem nach Anspruch 1 bis 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerungsdruck im Vorratskessel aus einem mit einem Gas von höherem Druck angefülten Behälter geliefert wird, der über eine steuerbare Drossel mit dem Vorratskessel in Verbindung steht.

9. Kernreaktorsystem nach Anspruch 1 bis 4 und 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß am Vorratskessel ein Überdruck-Sicherheitsventil angebracht und so eingerichtet ist, daß bei zu hohem Steuerungsdruck automatisch der Reaktor zum Abschalten gebracht wird.

10. Kernreaktorsystem nach Anspruch 1 bis 4 und 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Reaktorkessel neben dem Dampf der Flüssigkeit noch ein Fremdgas befindet, welches den Druck oberhalb des Flüssigkeitsspiegels erhöht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 714 577;

R. Step hen s on, Introduction to Nuclear Engineering, 1954, S. 281;

M. A. Schultz, Control of Nuclear Reactors and Power Plants, 1955, S. 127;

Band »Research Reactors« der Reihe »Selected Reference Material on Atomic Energy« der Atomenergie-Kommission der Vereinigten Staaten, 1955, S. 332 bis 341.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen