DE1280429B - Dampfgekuehlter Atomkernreaktor - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

G21d

Deutsche KJ.: 21g-21/20

Nummer: 1280429

Aktenzeichen: P 12 80 429.4-33 (G 43017)

Anmeldetag: 6. März 1965

Auslegetag: 17. Oktober 1968

Das Hauptpatent bezieht sich auf einen dampfgekühlten Atomkernreaktor mit einem im gemeinsamen Druckbehälter unterhalb des Reaktorkerns angeordneten, vertikal von einer Heißdampfleitung ■ durchdrungenen Kühldampferzeuger und außen am Druckbehälter angeordneten Umwälzgebläsen für den umlaufenden Kühldampf, bei dem zwischen Reaktorkern und Dampferzeuger ein Dampfverteilerstück angeordnet ist, durch das der Heißdampf aus dem ■ Reaktorkern über die Heißdampfleitung zum Boden des Dampferzeugers und der im Dampferzeuger entstehende Sattdampf zur Kühlung in den Reaktorkern geleitet wird.

Nach Anspruch 3 dieses Patentes ist das Umwälz- · gebläse an dem freien Ende von Koaxialleitungen angeflanscht, die aus der zum Umwälzgebläse führenden Kühldampfleitung als Innenleitung und einer mit dem Reaktorbehälter verbundenen äußeren Druckleitung bestehen, wobei der Kühldampf aus der Innenleitung über die Druckleitung zurück durch einen an den Reaktorbehälter angrenzenden Ringraum geleitet wird.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des dampfgekühlten Kernreaktors nach dem Hauptpatent und hat zur Aufgabe, den nuklearen Teil für die Verwendung als Mischspektrum-Reaktorkern auszugestalten.

Solche Mischspektrum-Reaktoren sind bekannt (deutsches Gebrauchsmuster 1828184, USA.-Patentschriften 2 992 982, 3 093 563). Sie bestehen im Prinzip aus einer zentralen schnellen Spaltzone und einer diese umfassenden thermischen Spaltzone. Zwischen diesen beiden Zonen können gegebenenfalls noch weitere Schichten angeordnet sein, die das Eindringen von thermischen Neutronen in die schnelle Spaltzone verhindern sollen.

Bei dem gekoppelten, schnellthermischen Leistungsreaktor, wie er in der USA.-Patentschrift 2 992 982 beschrieben ist, ist außerdem noch eine äußere Brutzone vorgesehen. Das Kühlmittel durchströmt zunächst in zwei parallelen, aber räumlich voneinander getrennten Teilströmen die Brutzone und die thermische Spaltzone, um dann, nach Vereinigung der beiden Teilströme, in Gegenrichtung durch die schnelle Spaltzone zu strömen. Dabei müssen jedoch die Teilströme so einreguliert werden, daß sich einerseits keine örtlichen Überhitzungen ergeben, andererseits aber ein guter Gesamtwirkungsgrad der Anlage erhalten bleibt.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorkern in an sich bekannter Weise aus einer inneren schnellen Zone und einer diese umfassenden Dampf gekühlter Atomkernreaktor

Zusatz zum Patent: 1235 452

Anmelder:

Gesellschaft für Kernforschung m. b. H.,

7500 Karlsruhe, Weberstr. 5

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Ludolf Ritz, 7500 Karlsruhe

thermischen Zone besteht, daß der Ringraum als thermische Zone ausgebildet ist und daß im Grenzbereich zwischen thermischer und schneller Zone gegenüber den übrigen Brennelementen abgereicherte Brennelemente angeordnet sind.

Die größte Wärmemenge entsteht dabei normalerweise im zentralen, relativ kleinen, schnellen Spaltzonenbereich. Dementsprechend ist die Kühlmittelgeschwindigkeit in der thermischen Zone vorteilhaft wesentlich niedriger als in der schnellen Zone. Die Leistungsverteilung zwischen den beiden Zonen ist aber in weiten Grenzen variierbar. Eine örtliche Überhitzung in dem Grenzgebiet tritt infolge der hier angeordneten abgereicherten Brennelemente nicht auf. Eine Leistungsverteilung, bei der etwa 70% der Gesamtleistung mit der schnellen, etwa 30% mit der thermischen Zone erbracht wird, hat sich als besonders günstig erwiesen.

Der Gehalt an spaltbaren Stoffen (U²³⁵) kann bei den abgereicherten Brennelementen gegebenenfalls sogar unter dem von Natururan liegen. Bei der hohen Neutronenflußdichte im Bereich dieser Brennelemente zwischen den beiden Spaltzonen erhält man schon mit Wasser als Moderator in der thermischen Zone eine Konversionsrate von etwa 1. Mit Schwerwasser als Moderator steigt die Konversionsrate sogar auf etwa 1,25.

Auf diese Weise bleibt auch bei Anwendung eines Mischspektrum-Reaktorkerns die kompakte kon-

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struktive Ausbildung des dampfgekühlten Reaktors nach der im Hauptpatent beschriebenen Bauart voll erhalten.

An Hand der Figur wird im folgenden der Reaktor gemäß der Erfindung beschrieben. In der Figur ist zwar der ganze Reaktor dargestellt, es .werden aber im einzelnen nur no.<?h die Teile beschrieben, die sich von" der im Hauptpaterit beschriebenen Anordnung unterscheiden. ' -

Dies ist im wesentlichen der Reaktorkern 1, der aus einer zentralen, schnellen Zone 2 und einer um diese herum angeordneten thermischen Zone 3 besteht. Im Grenzbereich 4 zwischen thermischer und schneller Zone sind als Brutelemente abgereicherte Brennelemente angeordnet, damit die Wärmeerzeu- i$ gung dort bei der hohen Neutronenflußdichte das durchschnittliche Maß nicht wesentlich übersteigt. Als Moderator befindet sich in den Zwischenräumen zwischen den Brennelementen 5 in der thermischen Zone 3 schweres Wässer. Die durch Bestrahlung in ao ihm erzeugte und aus den Hüllen der Brennelemente S von ihm aufgenommene Wärme wird in einem an Stutzen 6 und 7 angeschlossenen Wärmeaustauscher abgeführt. In der thermischen Spaltzone 3 sind noch Absorberstäbe 8 angedeutet, mit denen die Leistung des Reaktors geregelt werden kann. Die Anordnung von Regelstäben in der zentralen schnellen Zone ist dabei überflüssig. Es ist bekanntlich ohne weiteres möglich, Kernreaktoren mit Mischspektrum über die Absorberstäbe in der thermischen Zone zu regeln. Diese Art der Regelung erfordert keine Regelstäbe in der schnellen Spaltzone, die deshalb außerordentlich kompakt ausgebildet werden kann. Dort liegen die Brennelemente dementsprechend dicht beieinander. Sie besitzen sechseckigen Querschnitt und sind nach _3S Art von Bienenwaben beieinander liegend durch ein Hüllrohr 9 zusammengefaßt, das gleichzeitig auch die Kühlmittelströme in der thermischen und der schnellen Spaltzone voneinander trennt. Die Brennelementes in der thermischen Zone 3 sind vorzugsweise gleichfalls in Dreiecksanordnung und mit einem dem Achsabstand der Elemente der schnellen Spaltzone 2 entsprechenden Achsabstand voneinander gelagert, weil dann das Größenverhältnis von schneller zu thermischer Spaltzone leicht variierbar ist. Sie besitzen aber runden Querschnitt mit gegenüber den Elementen der schnellen Zone 2 kleinerem Durchmesser, wobei in den Zwischenräumen zwischen den Brennelementen 5 der Moderator angeordnet ist. Die Brennelemente des Grenzbereichs 4 sind in der Figur im thermischen, d. h. vom aufwärts gerichteten Kühlmittelstrom durchflossenen Spaltzonenbereich 3 angeordnet, da aus ihnen etwa die gleiche Wärmemenge abgeführt werden soll, wie aus den übrigen Elementen 5 des thermischen Spaltzonenbereiches 3. Sie könnten grundsätzlich aber auch — insbesondere bei geringerer Abreicherung — innerhalb der Hülle 9 im schnellen Spaltzonenbereich 2 angeordnet sein.

Bei Verwendung von schwerem Wasser als Moderator sind die thermischen Brennelemente 5 druckdicht in Halteböden 10, 11 befestigt, damit das schwere Wasser nicht verlorengehen kann. Man kann als Moderator jedoch auch leichtes Wasser verwenden. Dann ist es günstig, im oberen Halteboden 11 Öffnungen vorzusehen, damit im Moderator entstehender Dampf in den Dampfraum 12 über der Spaltzone abströmen kann. Eine Umlaufkühlung für die Moderatorflüssigkeit ist in diesem Falle nicht nötig. Es genügt, die Moderatorflüssigkeit sieden zu lassen, wobei das ausgedampfte Wasser selbstverständlich durch Einpumpen von Kondensat in den Moderatorraum wieder ersetzt wird.

Als Kühlmittel für sämtliche Brennelemente wird dabei Wasserdampf verwendet, der wie in einem konventionellen Kraftwerkskreislauf direkt auf die Nutzleistungsaggregate gegeben werden kann. Der Kühldampf wird — wie bereits im Hauptpatent beschrieben — durch Einleiten von Heißdampf in Kondensat im Dampferzeuger erzeugt, der immer eine gewisse Kondensatmenge mit Siedetemperatur enthält. Dadurch besitzt der Reaktor auch gute Notkühleigenschaften, denn bei .einem Druckabfall im Reaktorbehälter — etwa durch Auftreten eines Lecks — wird das Kondensat im Verdampfer verdampfen, wobei große Mengen zusätzlichen Kühldampfes entstehen.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Dampfgekühlter Atomreaktor mit einem im gemeinsamen Druckbehälter unterhalb des Reaktorkerns angeordneten, vertikal von einer Heißdampfleitung durchdrungenen Kühldampferzeuger und außen am Druckbehälter angeordneten Umwälzgebläsen für den umlaufenden Kühldampf, bei dem zwischen Reaktorkern und Dampferzeuger ein Dampfverteilerstück angeordnet ist, durch das der Heißdampf aus dem Reaktorkern über die Heißdampfleitung zum Boden des Dampferzeugers und^der im Dampferzeuger entstehende Sattdampf zur Kühlung in den Reaktorkern geleitet wird, und wobei das Umwälzgebläse an dem freien Ende von Koaxialleitungen angeflanscht ist, die aus der zum Umwälzgebläse führenden Kühldampfleitung als Innenleitung und einer mit dem Reaktorbehälter verbundenen äußeren Druckleitung bestehen, wobei der Kühldampf aus der Innenleitung über die Druckleitung zurück und durch einen an den Reaktorbehälter angrenzenden Ringraum geleitet wird, nach den Ansprüchen 1 und 3 des Patents 1235 452, d a durch gekennzeichnet, daß der Reaktorkern (1) in an sich bekannter Weise aus einer inneren schnellen Zone (2) und einer diese umfassenden thermischen Zone (3) besteht, daß der Ringraum als thermische Zone ausgebildet ist und daß im Grenzbereich (4) zwischen thermischer und schneller Zone gegenüber den übrigen Brennelementen abgereicherte Brennelemente angeordnet sind.

2. Dampfgekühlter Atomreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennelemente der schnellen und thermischen Zone (2, 3) in gleichartigen Gittern mit gleichen Gitterabständen im Reaktorkern (1) gelagert sind.

3. Dampfgekühlter Atomkernreaktor nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch ein veränderbares Größenverhältnis zwischen thermischer und schneller Zone des Reaktorkerns.

4. Dampfgekühlter Atomreaktor nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Leistungsverteilung zwischen thermischer und schneller Zone, bei der etwa 30% der Gesamtleistung mit der thermischen und etwa 70% der Gesamtleistung mit der schnellen Zone des Reaktorkerns erbracht wird.

5. Dampfgekühlter Atomreaktor nach Anspruch 1 bis 4 mit leichtem Wasser als Moderator in der thermischen Zone, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennelementhalteplatte (11) öffnungen zum Durchtritt des im Moderatorraum um die thermischen Brennelemente (5) entstehenden Dampfes in den Dampfraum (12) über dem Reaktorkern aufweist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1828 184; USA.-Patentschriften Nr. 2992982, 3 093563.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen