DE1564987A1 - Kernreaktor und Verfahren zu seiner Steuerung - Google Patents
Kernreaktor und Verfahren zu seiner SteuerungInfo
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Description
TOUTED KINGDOM ATOMIC ENERGY AUTHORITY, 11, Charles II Street,
London, S.W.1, England
Für diese Anmeldung werden folgende Prioritäten beansprucht:
Englische Patentanmeldung Fr. 42875/65 vom 8. Oktober 1965,
" » " 45907/65 " 29. Oktober 1965,
»■■■ " ■ ■ η 47077/65 " 5. November 1965,
» » » 48932/65 " 17. November 1965,
» " " 358/66 » 4. Januar 1966 und
» »t » 4014/66 »28. Januar 1966.
Kernreaktor und Verfahren zu seiner Steue r uns
Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktoren und betrifft
insbesondere die Steuerung oder Regelung des Betriebes eines
solchen Reaktors. Eine solche Steuerung, wie sie im vorliegenden Falle gedacht ist, eignet sich für alle Steuerungsbedingungen
bzw. -bedürfnisse, wie Brennstoff-Abbrand-Ausgleich, Leistungsregelung
und Abschaltung, und zwar entweder in der Ausführung für eine Mehrzweckfunktion oder durch Auslegung für ein individuelles
Erfordernis.
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BAD ORIGINAL
Aufgabe der Erfindung ist es, die Beseitigung von Mechanismen als Mittel der Reaktorsteuerung, d.h. Mechanismen für die Bewegung
des Neutronenabsorbers, einer praktischen Verwirklichung näherzubringen.
Erfindungsgemäß wird ein Kernreaktor dadurch gesteuert, daß ein Wechsel bzw. eine Änderung zwischen der Flüssigkeits- und
Dampfphase in einer verdampfungsfähigen Moderator-Flüssigkeit hervorgerufen wird, welche in bestimmten Zonen vorhanden ist,
die im oder um den Reaktorkern liegen und durch Absorbermaterial umgrenzt werden, welches Heutroneneinfangeigenschaften hat, die
vorwiegend im thermischen Energiebereich liegen.
In der anhängigen deutschen Patentanmeldung U 11 432 VIIIc/
21g (Anwaltsakte 65 023) wurde bereits das Vorsehen der Zonen, wie oben ausgeführt, vorgeschlagen. Die Weiterentwicklung nach
der vorliegenden Erfindung besteht in der Änderung des Moderiereffektes innerhalb dieser Zonen, indem man einen Wechsel der
Phase eintreten läßt. Aus der früheren Patentanmeldung folgt,
daß die wesentlich höhere Dichte der Flüssigkeitsphase, verglichen
mit der Dampfphase, zu einer beträchtlich höheren Wirksamkeit des Absorbermaterials in Bezug auf die Strömungskomponente,
welche härter ist als die thermische, führt.
Erfindungsgemäß weist daher ein Kernreaktor bestimmte Zonen im oder um den Reaktorkern zur Aufnahme eines vom Kernkühlmittel
getrennten S'trömungsmittels auf, wobei die Zonen durch Absorbermaterial
umgrenzt sind, welches Neutroneneinfangeigenschaften %
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hat, die vorwiegend im thermischen Energiebereich liegen, sowie
eine Einrichtung zur wahlweisen Steuerung, je nachdem, ob die
verdampfungsfähige Moderatorflüssigkeit in den Zonen im Zustand des Dampfes oder der Flüssigkeit ist. Eine solche Einrichtung
weist zweckmäßig Hoch- und Niederdruck-Zuführungen für die Moderatörflüseigkeit
auf, welche wahlweise mit den Zonen verbunden werden können, wobei der Druck, bei·normaler Betriebe-Innentemperatur
der Zonen betrachtet, entsprechend hoch genug ist, um
die flüssige Phase zu gewährleisten, und entsprechend niedrig
genug ist, um die Dampfphase sicherzustellen. Alternativ kann die Einrichtung eine Zirkulation der Flüssigkeit durch die Zonen
hindurch mit einer wahlweise veränderlichen Geschwindigkeit hervorrufen; in diesem Falle würde das Erhitzen der Zonen in dem
Kern darauf beruhen, die langsamen Strömungen zu verdampfen, während schnelle Strömungen unverdampft bleiben würden. Gerade
in dieser Möglichkeit, eine tröpfelnde oder rieselnde Strömung zu verdampfen, kann ein Vorteil der Erfindung ges.ehen werden:
es spielt keine Rolle, ob ein Auslecken der Flüssigkeit in die
Zonen vorkommt, und daher ist eine absolute Dichtigkeit bei den
Ventilen, welche verwendet werden, nicht unbedingt notwendig.
Ein anderer, und vielleicht wichtigerer Vorteil, besteht darin, daß die, Notwendigkeit für irgendein Gas in den Zonen ausgeschaltet
wird; insbesondere wird nach der Erfindung die Verwendung
eines Gasdruckes, un den Spiegel der Flüssigkeit in den Zonen zu verändern, überflüssig gemacht. Folglich werden alle Schwierigkeiten.,
welche durch das Vermischen von Gas und Flüssigkeit entstehen könnten, Vermieden,
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Wenn der Reaktorkern durch ein Kühlmittel gekühlt wird, welches im flüssigen Zustand ein Moderator ist, dann ist die
Flüssigkeit, welche für die Zonen verwendet wird, zweckmäßigerweise die gleiche. Wenn darüber hinaus das Kühlmittel unter
Druck gesetzt wird., um ein Sieden zu verhindern, wie das in
einem Druckwasserreaktor der Fall ist, dann ermöglicht der Kühlmittelkreislauf eine geeignete Zuführung der Moderatorflüssigkeit
für das Fluten der Zonen.
Es wird bevorzugt, das umgrenzende Absorbermaterial für die Zonen in Komponenten oder Einzelteilen einzusetzen, welche ■
von dem getrennt werden können, was die Moderatorflüssigkeit enthält; zweckmäßgerweise wird dieses Absorbermaterial von den
Brennstoff-Bauteilgruppen, aus welchen sich der Kern zusammensetzt,
gehalten, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß das. Absorbermaterial in der Nähe der brennstofffreien Moderator-Zwischenräume
liegt, welche ein Teil des ortsfesten Kernaufbaus sein können. Da das Absorbermaterial sich in den Brennstoff-Bauteilgruppen
befindet, ergibt sich die Möglichkeit, dieses zu erneuern, wenn die Bauteilgruppen aus dem Reaktor entfernt werden,
und eine solche Erneuerung, welche von Zeit zu Zeit notwendig sein kann, hat daher keine Störung des ortsfesten Kernaufbaus
zur Folge.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der
ortsfeste Kernaufbau Kammern für die Aufnahme der Brennstoff-Bauteilgruppen
aufweisen kann, die durch Hohlwände begrenzt werden, welche intern die brennijgofffreien Zonen bilden, und zwar in
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lamellen- oder Schichtform. Solche Zonen liegen parallel zur
länge der Bauteile und erstrecken sich im wesentlichen Über
deren gesamte "kennstofftragende länge. In der Querrichtung können
sie sich über den Kern von einer Seite zur anderen erstrekkera.
Da ziemlich umfangreiche innere lamellenzonen in Betracht kommen, wird es vorgezogen, einen inneren Verstärkungsaufbau
vorzusehen, um einem Zusammenbruch bei höherem Aussendruck zu widerstehen^. Die Verstärkung kann auch von Mutzen sein als Abschirmung
gegen Neutronenströmung durch die Zonen hindurch und kann für diesen Zweck vergrößert werden. Um die Strömung für
den Fall zu verringern, in dem· sich die Zonen genau über den
Kern hinweg erstrecken, wird es. vorgezogen, sie in flache Platten
einzubauen, die gestaffelt angeordnet werden. Diese Anordnung
könnte mit einer durchgehenden Zone erreicht werden, welche
in Abschnitten über den Kern verläuft, die abwechselnd nach links und rechts um 90° verdreht sind, so daß sie in Draufsicht
einer Treppenflucht gleichen.
Hauptsächlich ist die Erfindung anwendbar bei Reaktoren, welche mit einem Neutronenfluß-Spektrum arbeiten, welches härter
ist als thermisch, d.h. bei Reaktoren, welche als "mittlere"
/"intermediate"/ bezeichnet werden, bei welchen das Spektrum dem
Wesen nach epithermisch ist, und bei sogenannten "schnellen"
Reaktoren /"fast" reactors/.
Die Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise
wiedergebenden Zeichnung näher beschrieben, und zwar anhand einer besonderen Ausführungsform, die für einen untermoderierten
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Druckwasserreaktor anwendbar ist, in welchem Plutonium-Brennstoff verwendet wird, und zwar zeigt bzw. zeigen:
Fig. 1 einen Aufriß einer Brennstoff-Bauteilgruppe,
Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt nach der Linie II-II
der Fig. 1,
Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt nach der Linie III-III der Fig. 1,
Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt nach der Linie III-III der Fig. 1,
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Kammer für Brennstoff-Bauteilgruppen
im Reaktor-Kernaufbau zur Aufnahme von
zwei Bauteilgruppen gemäß den Fign. 1 bis 3, wobei die obere Hälfte der Figur im Schnitt dargestellt ist,
- Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 4» Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie VI-VI der Fig. 5,
Fig. 7 im Schnitt eine Verriegelungsvorrichtung zum Befestigen der Brennstoff-Bautei!gruppen in den Kammern,
wobei dieser Schnitt nach der Linie VII-VII der Fig. verläuft,
Fig. 8 einen Schnitt nach der Linie VIII-VIII der Fig. 7, Fig. 9 einen Schnitt nach der Linie IX-IX der Fig. 7,
Fig.10 ein Strömungs-Schaltbild einer Moderator-Hohlraum-Steuerungsanlage
, die
Fig.11 und 12 zeigen schematisch zwei verschiedene Stellungen
eines Steuerventils, welches zur Verwendung in der Anlage der Fig. 10 bestimmt ist, während
Fig.13 eine isometrische Schnittansicht des ganzen Reaktors
wiedergibt.
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- 7 - · ■ ■
Beim abgebildeten Reaktor werden Brennstoffplatten 11
verwendet, wie am besten aus Pig» "2 hervorgeht; der Einfachheit
halber wurden in dieser Figur der Brennstoffinhalt und die Verkleidung
nicht voneinander getrennt dargestellt. Es versteht sich jedoch, daß in jeder Platte eine Metallkeramik-Lage aus
PuO2 in der in Pig. 1 durch P angedeuteten Lange vorhanden ist,
welche innerhalb einer Schutzverkleidung aus rostfreiem Stahl abgedichtet und mit dieser eng verbunden ist, die an jeder
Querkante mit sich gegenüberliegenden hochstehenden Rippen 12
und 13 in Gestalt des Buchstaben T versehen ist.
Über das obere Ende der brennstoffhaltigen Länge hinaus
ist die Auskleidung verlängert, um ein Kopfende zu bilden, welches
der einen oder anderen der Linien, wie sie durch 14 und 15
in Pig. 1 angedeutet sind, entspricht. Über das untere Ende der
brennstoffhaltigen Länge hinaus passen die Schwanz- und Auskleidungsverlängerungen
zu der Linie 16 in Pig. 1, und dort befindet
sich ein Schlitz 17 in dieser Umrißlinie zum Aufsetzen auf einen
Stützstab im ortsfesten Kernaufbau des Reaktors.
Die Brennstoffplatten sind in einem Bündel oder Stapel,
mit den hochstehenden Rippen 12, 13 aneinanderstoßend, angeordnet,
um die Platten voneinandeV und von Kühlmittelströmungskanälen 18 von dünner rechteckiger Form auf Abstand zu halten.
Als Teil des Bündels oder Stapels ist. wenigstens eine Zelle von brennbarem Gift eingeschlossen, wobei diese Seile beim dargestellten
Ausführungsbeispiel durch zwei Giftplatten 19 und 20
gebildet wird, welche nach innen gebogene durchgehende' Plansche
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21 und 22 entlang den Querkanten haften; diese Flansche liegen eng
so/aneinander, daß die GiftstoffzeHe effektiv ein flaches
rechteckiges Rohr ist. Gegen die äußersten Brennstoffplatten
des Stapels sind Absorb;j£erplatten 23 bzw. 24- gelegt; an· beiden
Enden jeder dieser Absorberplatten befindet sich ein Z'ungenpaar 25 und 26.
Um den Stapel zusammenzuhalten, verlaufen zwei Schraubenbolzen bzw. Schrauben 27 (Fig. 3) senkrecht zu den Flächen der
Platten an jedem Ende des Stapels, Jede Schraube hat einen mit einer Aussparung versehenen Kopf 28 und eine Schlitzmutter 29.
Diese Schrauben werden so befestigt, daß die Absorberplattenzungen 25, 26, welche innerhalb der Brennstoffplattenrippen 12,
liegen, gegen die äußersten Brennstoffplatten gezogen werden
und so die Schraubenköpfe und Muttern innerhalb der Attßenko»tur
des Stapels zu liegen kommen. TJm die Muttern zu verriegeln!., wird
ein rohrförmiger Ansatz 30 jeder Schraube in eine konische öffnung
31 der entsprechenden Mutter durch Aufdornen hineingedrückt. Scheiben 32, welche zwischen die Brennstoffplatten dort eingelegt werden, wo die Schrauben durch diese hindurchgehen, haben
eine ringförmige Gestalt; der entsprechende Abstandhalter zwischen den Giftstoffplatten 19, 10 ist jedoch ein Stab 33» der
sich über die Breite dieser Platten erstreckt und mit zwei Lö·»
ehern für die Schrauben versehen ist. In diesen Stäben befinden
sich außerdem Öffnungen 34 auf Achsen, die parallel zu den Flächen der Platten verlaufen. Während Eingang und Ausgang zu und
von den Kühlmittelkanälen 18 praktisch frei sind, wobei das einzige
Hindernis von den ringförmigen Scheiben 32 gebildet wird,
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stellt der durch die öffnungen 34 gebildete Endpaß sicher, daß
der Kühlmittelstrom über die Giftzelle nicht mehr als notwendig
umgeleitet wird. Durch die Kopfenden 15 erstreckt sich, ein Hebestab
55. ·
In den Giftstoffplatten 19, 10 .befindet sich ein solches
Absorbermaterial, welches Ueütroneueinfangeigenschaften hat, die
vorwiegend im thermischen Energiebereich liegen. Wenn man in Betracht zieht, daß die Bauteilgruppe in einem untermoderierten
plutoniumbrennstoffhaltigen Kern verwendet wird, ist bei brennbarem Giftstoff dieser Art die Tendenz dahingehend, daß der
Brennstoffabbrand viel schneller als der Giftstoffabbrand vor
sich geht. Wenn man den Giftstoff jedoch in eine Form bringt,
die Moderator (im vorliegenden Fall in Gestalt des flüssigen *
Moderatorkuhlmittels, welches zwischen, den Platten 19, 20 durchdringt)
bindet, wird der effektive Absorptionsquerschnitt in der vorherrschenden epithermischeiL Strömung wesentlich, vergrößert,
'wodurch man dem Idealzustand näher kommt, bei welchem der Reaktivitätsvergrößerungseffekt
des Giftstoffverbrauchs genau, dem Reaktivitätsverringerungseffekt des Brennstoffabbrandes entspricht»
Bezüglich der Absörberplatten 23, 24 ist aus Pig. 4 ersichtlich, daß der ortsfeste Kernaufbau aus einer Reihe von in gleichen
Abständen angeordneten parallelen Wänden 40 und 41 zusammengesetzt ist, wobei sich stabförmige· Moderat or-Behälter 42, 43.,
44 und 45, welche in Abständen* zwischen angrenzenden Wandeln erstrecken,
und daß die -Absorberpiatten diesen Behältern, am nächsten
liegen, wenn die Bauteilgruppen in die" Kammern eingesetzt
sind.
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Jeder Behälter besteht aus zwei Hälften 46 und 47, welche auf der einen Seite flach und auf der anderen ausgekehlt sind,
wobei die Hälften mit den Auskehlungen innen verbunden /joined/ und zueinander ausgerichtet /registered/ sind, so daß eine integrale
bzw. durchgehende lamellenartige brennstofffreie Zone, allgemein mit 43 (Pig. 5) bezeichnet, mit einer inneren Verstärkung
gebildet wird, welche durch Aneinanderliegen der Flachem
bzw. Planken zwischen den Auskehlungen erreicht wird. Der Behälter wird vervollständigt durch Kopf- und Bodenendstücke 49
bzw. 50, welche die Querschnittkontur der zusammengebauten Hälften bilden und in einer bestimmten Lage verschweißt werden,
um die interne lamellenartige Zone vollkommen abzuschließen. Das Kopfendstück 49 hat zwei gleiche, allgemein mit 51 und 52
bezeichnete kreuzförmige Ausschnitte, in welchen Quadrat- bzw. Rechteckenden 53 der Brennstoffbauteilgruppen-Hebestäbe 35 liegen.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Befestigung der Behälter an den Wänden 40, 41 durch eine Schweißverbindung
54 zwischen diesen Wänden und den Kopfendstücken vorgesehen. Das Bodenstück 50 bildet Verbindungen zur inneren lamellenartigen
Zone 48 in Form gebohrter Durchlässe 55 und eines hochstehenden Rohres 56.
In den Kern-Kammern werden die Brennstoff-Bauteilgruppen
an Stäben 57 und 58 gehalten, welche von den zonenbegrenzenden
Behältern 42 bis 45 gehalten werden und welche entlang jeder
Seite eine Abflachung zum Eingreifen in die Schwanz- und Bndschlitze
17 aufweisen. Um die Bauteilgruppen niederzuhalten, ist eine Selbstverriegelungsklammer mit 59 (Fig. 4) in }eden der
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kreuzförmigen Ausschnitte 51, 52 eingepaßt. Unter Hinweis auf
die Fign. 4 bis 6 hat eine solche Klammer ein unteres zylindrisches
Stopfenteilsirück 60; welches in den Kreuzschlitz 61
des Kreuzform-Aueschnittes hineinpaßt und dadurch das quadratische
Ende 53 der zugehörigen Brennstoff-Bauteilgruppe abschließt.
Das Stopfenteilstück hat gegenüberliegende geschlitzte Aussparungen 62, 63 in. der gleichen· Breite wie das Kopfstück 4-9
des zonenbegrenzenden Behälters, so daß das Stopfenteilstück in den Kreuzschlitz eingeführt werden kann, wenn die geschlitzten
Aussparungen mit dem oberen Endstück fluchten. Über dem
Stopfenteiletück sind sich diametral gegenüberliegende Segmente
64» 65 einstückig angeordnet, wobei jedes eine Backenfläche bzw. 67 darstellt. Auf einem Schaft 68, welcher vom Stopfenteilstück
60 nach oben vorsteht, ist eine Buchse 69 entgegen der Wirkung einer Feder 70 axial schiebbar angeordnet, ist jedoch
gegen Relativdrehung durch eine Keilnutverbindung 71 fixiert.
Die Buchse 69 bildet Backenflächen 72» 73, welche in Verbindung
mit der Winkellage, bestimmt durch Keil und Keilnut, so liegen, daß sie jeweils den Backenflächen 66 bzw. 67 gegenüberliegen,
und zwar in einem Abstand, der gleich der Breite des Köpfendstückes
49 des zonenbegrenzenden Behälters ist.
Aus den Fign. 4 bis 6 ist zu ersehen, daß die öffnungen
zwischen den Backenflächen um 90° gegenüber den geschlitzten Aussparungen 62, 63 im Stopfenteilstück 60 versetzt sind. Die
Büchse 69 wird gegen die Feder 70 zurückgedrückt, wenn das Stopfenteilstück in den Kreuzschlitz 61 eingeführt wird, wenn dieses
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Stopfenteilstück jedoch um 90° gedreht wird, schnappt die Buchse nach vorn ein, um das Kopfendstück 49 zwischen den
beiden Sätzen der Backenflächen zu verriegeln? danach kann die Klammer nur noch durch.Zurückziehen der Bucnse gelöst
werden, um die Backenflächen 66, 67 von dem Kopfendstück
frei zu bekommen. Für das Manipulieren der Klammern sind natürlich geeignete Werkzeuge vorgesehen.
Die verschiedenen bisher beschriebenen Einzelteile ergeben den Kern des Reaktors, der mit 74 in Fig. 13 bezeichnet
ist, wobei dieser Kern in dem unteren Teil eines Druckbehälters 75 liegt. Die mit den zonenbegrenzenden Behältern verbundenen
Rohrleitungen sind in dieser Figur ersichtlich, zuerst sind jedoch noch die Strömungs- und Ventilauaführungsdiagramme
der Fign. 10 bis 12 zu behandeln, in welchen nur drei der zonenbegrenzenden Behälter, hier mit 80 bezeichnet,
dargestellt sind.
Zu jedem Behälter gehört ein Steuerventil, wie in den Fign. 11 und 12 dargestellt? dieses Steuerventil kombiniert
die Funktionen von zwei Ventilen, welche der besseren Übersicht wegen in Fig. 10 getrennt dargestellt sind, wobei das
eine, mit 81 bezeichnet, in einer Einlaßleitung 82 des zugehörigen Behälters 80 und das andere, 83, in einer Auslaßleitung
84 liegt.
Durch das Ventil 81 kann die Einlaßleitung 82 durch eine Zuführungsleitung 86 und ein normalerweise offenes Ventil 87
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mit einer Leitung 88 verbunden werden, die zur Auslaßseite einer Pumpe führt, was nachfolgend noch erläutert wird, durch welche
das unter Druck gesetzte Primär- oder Kernkühlmittel in Umlauf gebracht wird. Diese Zuführungsleitung stellt eine Hochdruckzuführung
dar, und da der Primär-Kühlmitteldruck hoch genug ist, um ein Sieden zu verhindern (normalerweise ca. 1800 p.s.i.g. (etwa
120 atü) hat eine Verbindung mit dieser Zuführung ein Fluten des Behälters mit einem Kühlmittel in der Flüssigkeitsphase
zur Folge, d.h. mit Wasser. Eine Niederdruck-Zufuhr ist durch einen Kessel 89 und eine Niederdruck-Leitung 90 gegeben, und
die Auslaßleitung 84 eines Behälters kann mit dieser Mederdruck-Leitung
durch ein Ventil 83 und eine zugehörige Zweigleitung 91 verbunden werden. MLt Hilfe eines Druckreglers,
der durch einen Druckfühler 92 gebildet wird, der ein Entlüftungs- bzw. Entspannungsventil 93 steuert, wird der Druck im
Kessel auf einer Höhe gehalten, welche niedrig genug ist, damit ein Behälter, welcher mit dem Kessel anstatt mit der Hochdruckzuführung
■verbunden ist, mit einem Dampfphasen-Primärkühlmittel,
d.h. mit hocherhitztem Dampf, gefüllt wird. Der Druckregler 92, 93 ist in parallelen Wegen- doppelt ausgeführt, welche entsprechende
Trennventile 94 und 95 aufweisen, wobei diese Wege durch einen
Kühler 96 zu der Reinigungsanlage 97 führen und den Aufbereitungskessel
98 speisen, welcher dem Hauptkreislauf des Primärkühlmittels zugeordnet ist.
In Fig. 10 sind die Ventile 81 und 83 so dargestellt, daß der entsprechende Behälter mit Wasser geflutet wird? die ent-
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gegengesetzten Stellungen für das Füllen mit Dampf Bind in gestrichelter Linie angegeben. Bei der Darstellung ist zu
berücksichtigen, daß das Ventil 83 eine Verbindung zu einem Auslaß 99 hat, welcher direkt in den Hauptkühlmittelkreislauf
auf der Auslaßseite des Kerns mündet. Folglich wird in geflutetem Zustand eine Strömung durch den Behälter gedrückt, und
zwar aufgrund einer Druckdifferenz, welche jener über den
Kern hinweg entspricht, und diese Strömung wirkt einer Temperaturerhöhung in dem Behälter und der Speicherung bzw. Ansammlung
von gasförmigen Radiolyse-Produkten /radiolysis products/
entgegen. In der Steuerventil-Obersicht der Fign. 11 und 12
ist eine Spule 100 mit einer Sackbohrung 101 zwischen zwei Stellungen bewegbar, wobei die untere Stellung aus Fig. 11 und
die obere Stellung aus Fig. 12 zu ersehen ist. Die Funktion des Ventils 81 in Fig. 10 wird durch Verbinden der Zuführungsleitung
86 mit einem Durchlaß 102 ermöglicht; beim Bewegen in die untere Stellung gleitet die Spule über den Durchlaß und
setzt sich eventuell auf einen konischen Sitz 103 auf, der den Ausgang zur Einlaßleitung 82 bildet. Die Funktion des Ventils
83 in Fig. 10 wird erreicht, indem man die Auslaßleitung 84 mit einem Durchlaß 104 verbindet, welcher in der unteren Stellung
der Spule durch eine Öffnung 105 in der Spule mit der
Sackbohrung 101 oder in der oberen Stellung der Spule über einen Durchgang 106 mit dem Auslaß 99 verbunden wird. Über
eine rohrförmige Schaltventilspule 107 ist die Sackbohrung 101
mit der Zweigleitung 91 verbunden, welche sich zur Niederdruckzufuhr erstreckt.
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Die Schaltventilspule 107 wird hydrostatisch ausgeglichen und elektromagnetisch mit Hilfe eines Magnets bzw. Soleonids
108 betrieben, damit das Steuerventil ferngesteuert werden kann. Durch Hüten in der Schaltventilspule und Durchgänge im
yentilkörper wird Hochdruck-Wasser, welches der Zuführungsleitung
86 durch eine Zweigleitung 109 entnommen wird, in einer klar aus der Zeichnung ersichtlichen Weise entweder der einen
oder der anderen Seite eines Widerlagers 110 der Spule 100 zugeführt, und zwar abhängig davon, ob das Solenoid 108 erregt
ist oder nicht. Auf diese Weise wird die Spule 100 entsprechend dem Zustand der Schaltyentilspule 107 eingestellt, wobei die
Erregung der unteren Stellung nach Pig. 11, in welcher der
Behälter 80 mit Dampf gefüllt ist, entspricht und Aberregung der oberen Stellung naoh Fig. 12, in welcher der Behälter mit
Wasser geflutet ist, entspricht.
Ss sei darauf hingewiesen, daß eine kleine Undichtigkeit
an dem Sitz 103 in der unteren Stellung der Spule 100 zulässig
ist, weil der Weg vom Behälter durch die öffnung 105 zur Niederdruck-Zufuhr
zu diesem Zeitpunkt offenbleibt, um sicherzustellen, daß ein solcher Verlust als Dampf entfernt wird. Die
Öffnung 105 hat eine vorherbestimmte Abmessung, um die Übergangsgeaohwindigkeit
7 bzw. -rate von Wasser in Dampf in dem Behälter zu erhöhen, wenn zusätzliche Reaktivität im Kern gewünscht
wird; auf diese Art und Weise geht die Reaktivitätszufuhr nicht zu rapide vonstatten. Reaktivitätsabzug ergibt
sich aus der Aberregung der Solenoide, und daher sind Vorkeh-
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rungen getroffen, um die Solenoid-Stromkreise gleichzeitig zu
öffnen, so daß eine Notabschaltung des Reaktors erreicht wird.
Die Einzelheiten, die in Fig. 10 dargestellt sind und bisher
noch nicht beschrieben wurden, sind für den anfänglichen Füllvorgang erforderlich, der nachstehend beschrieben wird:
Als erster Schritt, um den Reaktor anzufahren, müseen sowohl
behälter
der Reaktordruck/als auch die Behälter 80 mit Wasser gefüllt werden. Eine Füllpumpe 111 wird als Ersatz für die Primärkühlmittel-Hauptpumpe verwendet, welche normalerweise für die Wasserzuführung einsatzbereit ist, die jedoch zu diesem Zeitpunkt nicht in Betrieb ist. Die Füllpumpe 111 liefert Wasser zu den Behälter-Einlaßleitungen 82, und zwar über jeden von zwei Wegen, wobei der erste Weg über ein Ventil 112 zur Zuführungsleitung 86 und der zweite direkt zu den Einlaßleitungen über ein Ventil 113 führt. Die Kühlmittelpumpleitung 88 ist natürlich durch das Schließen des Ventils 87 geschlossen, und die Füllpumpenzuführung, welche die Steuerventile über das Ventil 112 und die Zuführungsleitung 86 erreicht, hebt die Spulen 100 in die obere Stellung der Fig. 12, da die Solenoide 108JLm Augenblick aberregt sind. Sobald sich die Behälter mit Wasser füllen, beginnt das Wasser durch den Auslaß 99 bis hin zum Hauptkühlmittelkreislauf abzufließen und füllt so den Reaktordruckbehälter.
der Reaktordruck/als auch die Behälter 80 mit Wasser gefüllt werden. Eine Füllpumpe 111 wird als Ersatz für die Primärkühlmittel-Hauptpumpe verwendet, welche normalerweise für die Wasserzuführung einsatzbereit ist, die jedoch zu diesem Zeitpunkt nicht in Betrieb ist. Die Füllpumpe 111 liefert Wasser zu den Behälter-Einlaßleitungen 82, und zwar über jeden von zwei Wegen, wobei der erste Weg über ein Ventil 112 zur Zuführungsleitung 86 und der zweite direkt zu den Einlaßleitungen über ein Ventil 113 führt. Die Kühlmittelpumpleitung 88 ist natürlich durch das Schließen des Ventils 87 geschlossen, und die Füllpumpenzuführung, welche die Steuerventile über das Ventil 112 und die Zuführungsleitung 86 erreicht, hebt die Spulen 100 in die obere Stellung der Fig. 12, da die Solenoide 108JLm Augenblick aberregt sind. Sobald sich die Behälter mit Wasser füllen, beginnt das Wasser durch den Auslaß 99 bis hin zum Hauptkühlmittelkreislauf abzufließen und füllt so den Reaktordruckbehälter.
Zur Prüfung, ob jeder Behälter mit Wasser gefüllt ist, wird die Niederdruckleitung durch Schließen eines Ventils 114·
in jeder Zweigleitung 91 geschlossen; wenn das entsprechende Solenoid 108 erregt wird, um die Spule 100 abzusenken und auf
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diese Weise lüllwasser in die Zweigleitung 91 abzuleiten, dann
ist nach dem offnem eines Ventils 116, welches von der Zweigleitung
wegführt, eine Ausströmung vorhanden, wie bei 115
■angedeutet. Da das Ventil 81 bei Erregung geschlossen wird, liefert der direkte Weg über das Ventil 113 und ein Ventil
das Wasser für das Ausströmen. Eine Unterbrechung eines solchen Abfließens, wenn das Solenoid aberregt ist, bestätigt, daß
das Steuerventil einwandrei arbeitet. Nach dem Prüfen jedes Behälters kann das Ventil 87 zur schnelleren Behälterfüllung
geöffnet werden.
Wenn der IMillvorgang beendetest und die notwendigen
Prüfungen durchgeführt sind, werden die Teile, die nur für das Füllen benötigt werden, abgeschaltet; Vorzugsweise werden
Blindflansche an den Punkten 117, 118 und 119 befestigt, die
sich jeweils,in Strömungsrichtung der Ventile 112, 113 und
jedes der Ventile 116 befinden. Das Ventil 87 in der Kühlmittelpumpleitung
muß zu diesem Zeitpunkt geöffnet sein, und vorzugsweise wird eine Verriegelungsvorrichtung eingebaut, um
sicherzustellen, daß dieses Ventil während des Reaktorbetriebes nicht geschlossen werden kann; beispielsweise kann die
Anordnung so getroffen werden, daß ein Deckel, durch welchen der Reaktordruekbehälter geschlossen wird, nicht eher befestigt
werden kann, bis das Ventil geöffnet ist, und daß durch das
Befestigen des Deckels das Ventil in der geöffneten Stellung
verriegelt wird.
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Wie aus den Fign. 10 bis 12 hervorgeht, werden die Ventileinheiten,
in welchen die Ventile 81 und 83 kombiniert sind, von einer Wand 85 getragen, wobei diese der Schulterteil des
Reaktordruckbehälters 75 der Pig. 13 ist, in welcher die Ventileinheiten mit 120 bezeichnet sind. Hauptzweck der Fig. 13
ist es, eine praktische Anordnung dieser Einheiten und der Rohrleitungen zu zeigen, die zu den den Kern bildenden Kammern
im Kern führen, und daher sind weitere Leitungen, wie die Zuführungsleitung 86, weggelassen worden. Jedoch ist außerhalb
des Behälters eine Ringleitung dargestellt, die als die Niederdruckleitung 90 wirksam ist, wobei jede der Einheiten 120 mit
dieser Ringleitung über die Zweigleitungen 91 verbunden ist. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die Rohrleitungen, die
sich von den Ventileinheiten zu den Behältern im Kern erstrekken, anfänglich koaxial verlaufen; nur in dem Bereich, wo sie
in die Vertikale übergehen, ist die Leitung 84 aus der Leitung 82 herausgeführt. Dann verlaufen diese getrennt voneinander
in Reihen auseinandergezogen über die Außenwand eines Mantels 121, der einen Kamin- über dem Kern bildet, wobei die
Leitungen 82 schließlich mit den Durchgängen 55 und die Lei_ tungen 84- mit den hochstehenden Rohren 56 verbunden werden.
Bei dem Reaktor der Pig. 13 handelt es sich um den sogenannten "integralen" Typ (aus einem Stück) indem Wärmeaustauscher
122, durch welche die Wärme, die durch das Primär-Kühlmittel von dem Kern aufgenommen wird, auf ein Sekundär-Kühlmittel
übertragen wird, ebenfalls in den Reaktordruckbehälter 75 eingeschlosaen sind. Das Sekundär-Kühlmittel ist
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Wasser zur Dampferzeugung, und es zirkuliert durch koaxiale
Kopfstücke bzw. Sammelbehälter 123^wischen den Wärmeaustauschern und den äußere'n Dampf trommeln 124* welche Dampfabscheider
und Verdampfer enthalten.
* Kurz zusammengefaßt, arbeitet der primäre Kühlmittelkreislauf
wie folgt» Beginnend bei dem oberen Auslaßende des Kerns geht die Strömung innerhalb des Mantels 121 aufwärts und wird
dann von einer .Abwärtsströmung durch die Wärmeaustauscher in dem Ringraum um den Mantel herum gefolgt. Dieeer Ringraum
mündet über Durchlässe 125 in eine Kammer .126, die durch den inneren Kanal der koaxialen Leitung 127 mit der Einlaßseite
der Primärkühlmittel-Hauptpumpe 128 verbunden ±a±y Die Auslaßseite
der Pumpe ist über den äußeren Kanal mit dem unteren Einlaßende des Kerns verbunden und zwingt bzw. drückt auf diese
Λα*
Weise/Primär-Kühlmittel durch die Brennstoff-Bauteilgruppen
hindurch. Der gerade beschriebene Kreislauf hat Verbindung zu einer Druckerzeugerkammer (aus Fig. 13 größtenteils herausgeschnitten),
die einen Erwärmungsschacht 130, der von der Bühne 131 der Kammer herunterhängt, und Erwärmungsstäbe 132, die sich
in den Schacht hinein erstrecken, aufweist.
Aus der vorhergehenden Be*3chreibung ist ersichtlich, daß durch die Ventileinheiten 120 die Möglichkeit besteht, die
Moderatormenge in Form des Wasserkühlmittels in den laminaren Zonen zu ändern, welche zwischen die Absorberplatten 23 und
von angrenzenden Brennstoff-Bauteilgruppen eingeschichtet sind.
Durch die Änderung der Moderation in diesen Zonen wird die
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neutronenabsorption in den Absorberplatten und dadurch die
Anzahl der neutronen geändert, die für die Spaltung verfügbar sind. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel, bei welchem das
lieutronenfluß-Spektrum /"harder-than-thermal11/ "härter als
thermisch" ist mit Hinsicht auf den Plutonium-Brennstoff,
wird dieser Steuerungseffekt durch die Verwendung eines Absorbermaterials,
wie Kadmium, begünstigt, dessen Einfangeigenschaften vorwiegend
im thermischen Energiebereich liegen. Kadmium kann legiert v/erden, wie beisOielsweise mit rlickel oder Kupfer, oder auch
in Form einer chemischen Verbindung vorliegen, z.B. eines Oxyds, welches die keramische Phase einer Metallkeramik (Germet) bildet,
die eine Edelstahl-Matrix hat; das Kadmium enthaltende Material beider Arten wird vorzugsweise mit Edelstahl verkleidet.
Statt der individuellen Steuerung der Zonen, wie beim dargestellten Ausf-ihrunrsbeispel, können die Zonen in Gruppen
gesteuert werden, besonders wenn die Anzahl in jeder ü-ruppe
klein ist, verglichen mit der Gesamtanzahl im ganzen Kern«
In einer Alternative, bei welcner keine Druckänderungen in den
Zonen erforderlicn sind, um die /nderung der Phase der Moderatcrfl'jssigkeit
herbeizuführen, kann genügend festes Material in dio Zonen eingebracht werden, um während des Reaktorbetriebes
genügend «Värme darin ableiten zu können, damit die Moderatorf l'issigkeit in den Zonen verdampft wird, wenn die Umlaufgesohwindigkeit
unter tinen bestimmten Jiedrigwert herabgesetzt wird. In einem .Druckwasserreaktor kann die Anordnung äußerst
einfach sein: Jede Zone ->canr] an gegenüberliegenden "finden in
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verschiedene Teile des Primär-Kühlmittelkreislaufes münden und ein Ventil aufweisen, durch welches eine der öffnungen
geschlossen werden kann.
Die erforderliche Wärmeableitung in den Zonen kann durch Abschwächung der Gammastrahlung erreicht werden. Das feste
Material für diesen Zweck sollte dicht sein, braucht jedoch
nicht irgendwelche schweren Atome zu enthalten; eine zutreffende Wahl bei einem Druckwasserreaktor ist Edelst^ahl. Bei
Nichtvorhandensein von Druckuntersehieden ist wenig festes
Material erforderlich, um eine strukturelle bzw. bauliche Rolle zu spielen, und daher sind irgendwelche thermischen Schocks,
welche die größeren Massen aushalten, verhältnismäßig unbedeutend.
Es kann erforderlich sein, um die Dampfphase in den Zonen
halten zu können, daß die letzteren heißer werden als das Kernkühlmittel. Folglich kann es sieh als notwendig erweisen,
daß eine-Wärmeisolierschicht um die Zone herum angebracht wird.
Wenn man berücksichtigt, daß die Dampf-Phase in den Zonen den Neutroneneinfang im umgrenzenden Absorbermaterial verringert
und daher eine erhöhte Reaktivität des Kerns- mit sich bringt, ist es notwendig, wenn man auf Gamma-Erwärmung zur Umwandlung
in die Dampf-Phase angewiesen ist, einen anderen Weg zur Erreichung
einer solchen Umwandlung beim Anlasaen des Reaktors zu beschreiten. Am besten wird dies erreicht, indem man die
Flussigkeitsphase durch injizierte Dampfphase verdrängt. Die
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injizierte Phase kann von dem Dampfraum des Primär-Kühlmittel-Druckerzeugers
kommen, wobei die Wärmeerzeuger de» letzteren dazu benutzt werden, die Temperatur des Kühlmittels im Druckerzeuger
bis zur Sättigungstemperatur zu steigern.
Als Zusammenfassung der vorbeschriebenen Alternative kann
sich ein Kernreaktor, wie beispielsweise ein Druckwasserreaktor mit einem Kern, welche durch unter Druck gesetzte Moderatorflüssigkeit
gekühlt wird, zusammensetzen aus einem Kernhalteaufbau, welcher Wärmeisolierschichten hat, die so angeordnet
sind, daß bestimmte Zonen gebildet werden, ferner aus Absorbermaterial, welches dazu geeignet ist, um in umgrenzende
lage mit den Zonen angebracht zu werden, und welches Neutroneneinfangeigenschaften
hat, die vorwiegend im thermischen Energiebereich liegen, ferner aus einer dauernd offenen Verbindung
zwischen dem unteren Ende jeder Zone und einem ersten Bereich des unter Druck gesetzten Moderatorflüssigkeitskreislaufs, aus
einer Verbindung von dem oberen Ende jeder Zone zu einem zweiten Bereich des Kreislauf-Abijärtsstroms des ersten Bereichs,
so daß die unter Druck gesetzte Moderatorflüssigkeit in der Flüssigkeitsphase durch die Zonen strömt, wenn die zweiterwähnte
Verbindung offen ist, ferner aus wahlweise betätigbaren Ventilen, welche die zweiterwähnten Verbindungen öffnen und
schließen, ferner aus festem, in die Zonen eingebautem Material, und als Zusatzmaterial für den Kernhalteaufbau und das Absorbermaterial
zum Ableiten von genügend Wärme in den Zonen durch Abschwächung der Gammastrahlung während des Reaktorbetriebes,
damit Moderatorflüssigkeit, die durch Ventilverschluß darin festgehalten
wird, verdampft wird, und aus Zuführungsleitungen für
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BAD ORlGiNAL
das Injizieren von Dampf-Phasen-Moderatorflüssigkeit in die .
Zonen als Vorbereitung für das Anlassen des Reaktors.
Eine Verdampfung in den Zonen als Folge des Ventilverschlusses
ergibt sich nicht sofort; dies ist jedoch von Vorteil, w«il der Reaktivitätseinsatz daher nach und nach bzw. allmählich,
vor sich geht. Die Menge und Art des festen Materials sind Paktoren, welche sicherstellen, daß eine gewünschte Einsatzgeachwindigkeit
erreicht wird; die verschiedenen Zonen können natürlich im Hinblick auf diese Paktoren differieren, auch
wenn die Einsatzgeschwindigkeit für alle Zonen die gleiche sein soll. -
In einer weiteren Alternative kann der Wechsel der Phase
in den Zonen dadurch erreicht werden, daß in jeder Zone eine elektrisch gespeiste Heizvorrichtung vorgesehen wird, welche
unabhängig von dem Reaktor eingesetzt werden kann, und zwar für die wahlweise Steuerung, ob die verdampfungsfähige Moderatorflüssigkeit
in der entsprechenden Zone nun in der Dampfoder Flüssigkeitsphase ist. Bei einem durch unter Druck gesetzte
Moderatorflüssigkeit gekühlten Reaktor wird die Heizvorrichtung
am besten innerhalb einer an den Enden offenen Zuführung angeordnet, welche sich innerhalb der entsprechenden Zone über deren
gesamte Länge erstreckt, wobei die Zone oben geschlossen und unten offen ist, so daß Dampfphasen-überdruck den Flüssigkeitsspiegel
in der Zone herunterdrücken kann. r>ine erneute Flutung
mit Flüssigkeit kann erreicht werden, indem eine Kondensation der Dampfphase oder eine gesteuerte Entlüftung ermöglicht wird.
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156A987
Die ürfiiiciung betrifft auch Abänderungen der im beiJiegenuen
raten nyruch 1 umr. esenen Aus Jünrungsform und bezieht
cic.i vor allem auch auf aämtliciie Erfiriuungymerlcmale, die im
einzelnen — cder η Koinbin. tion — in der gesamten Beschreibung
und Zeichnung of:enb ;rt üind.
^ ;itentansprüche
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Claims (1)
1.1 ·" Kernreaktor nach Ansrrucii .5 bis 10, dadurch gelcerjüeichn-e
daS die besagten To^richtarigen .loch- und Iviederdruckaufiüirr^jen
fltr die Ho der at or f lüssigkeit aufweisiii, welche v/ahlvveise mit den
Zonen au verbinden sind,"
1£e Kernreakroi' nach" Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, α aß
der Kern durch unter Druck gesetzte Koderatorflüss.igkeit.geküiilt
wird und da? eine Verbindung zum Kerii-ioihlaitxel-Kreislauf hergestellt
ist, die -al<5 Hocl-druckzuf'lihi'uiis'.f.'.j? die S^-cnen dient.
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BAD ORIGINAL
13· Kernsaktor nach Anspruch 5 "bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die genannte Vorrichtung betätigbar ist, um eine Zirkulation der I.ioderatorflüssigkeit durch die Zonen in einer wahlweise
einstellbaren Stärke bzw. Geschwindigkeit herbeizuführen.
14· Kernreaktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kern durch unter !Druck gesetzte Moderatorflüssigkeit gekühlt ist und daß die Flüssigkeit, die durcJi die Z-^onen zirkuliert, die
Kernkühlflüssigkeit ist.
15o Kernreaktor mit einem Kern, der durch eine unter Druck gesetzte
Lloderatorflüssigkeit gekühlt wird, gekennzeichnet durch einen Kernhalte aufbau, v/elcher Wärmeisolierschichten hat, die so
angeordnet sind, daß bestimmte Zonen gebildet werden, durch Absorbermaterial,
v/elches äazu geeignet ist, in einer die Zonen um- ;;rj'-.^enien „'eise angeordnet zu v/erden und welches iieutroneneinfangeigenschaften
hat, die vorwiegend im thermischen Energiebereich liegen, durch eine dauernd offene Verbindung zwischen dem unteren.
Ende jeder Zone und einerr. ersten Bereich des unter Druck gesetzten
i:oderator:lüssigkeitskreislaufes, durch eine Verbindung von dem
oberen Sude jeder Zone zu einem zweiten Bereich der Kreislauf-Abv/irt'sströmung
des ersten Bereichs, so daß die unter Druck gesetzte LCoderatorflüs.sigkeit in der Flüssigkeitsphase durch die
Zonen strömt, wenn die zweiterwähnte Verbindung offen ist, ferner
durch wahlweise betitis care Ventile zum Cffijßn und Schließen der
zwi it erwähnt er. ,'irbindxi':, durch festes, in die Zonen eingebautes
■. Material „Is Zusatzmaterial für den Kernnalteaufbau und das Absorbel
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BAD ORIGINAL
material zum Ableiten von genügend Wärme in den Zonen durch Absohwäohung
der Gammastrahlung während des Reaktorbetriebes, damit die Moderatorflüssigkeit, welche durch Ventilverschluß darin
fest gehalten wird, verdampft wird, -und durch Leitungen für das Injizieren von Dampfphasen-Moderatorflüssigkeit in die Zonen als
Vorbereitung für das Anlassen des Reaktors.
16· Kernreaktor, gekennzeichnet durch bestimmte Zonen im oder um den Kern, Zur Aufnahme von Strömungsmittel getrennt vom Kühlmittel,
durch die Zonen umgrenzendes Absorbermaterial mit iieutroneneinf
angeigenschaften, die vorwiegend im thermischen Energiebereich
liegen, und durch ein elektrisch betriebenes Heizgerät in
jeder Zone, welches unabhängig von dem Reaktor betätigbar ist, um wahlweise zu steuern, ob sich die verdampfungsfähige Moderatorflüssigkeit
in der entsprechenden Zone in der Dampf- oder Flüssigkeitsphase
befindet. /
17* Kernreaktor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kern durch unter Druck gesetzte Moderatorflüssigkeit gekühlt
wird und daß das Heizgerät innerhalb einer Leitung mit offenen
Enden angeordnet ist, die sioh innerhalb der entsprechenden Zone
• im wesentlichen über dören Gesamtlänge ,erstreckt·
BAD ORlG1NAL 009811/0773
Leerseite
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- 1966-08-04 DE DE19661564987 patent/DE1564987A1/de active Pending
- 1966-08-10 BE BE685344D patent/BE685344A/xx unknown
Also Published As
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