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Siedereaktor
Die Erfindung bezieht sich auf Siedereaktoren und ist insbesondere bei Reaktoren der Wassertype, die mit Turbinensystemen zusammenarbeiten, anwendbar.
Ein Reaktor umfasst im allgemeinen den Kernbrennstoff, ein Kühlmittel und einen Moderator. Das Kühlmittel kann gegebenenfalls als Moderator wirken. Beispielsweise kann das Kühlmittel leichtes Wasser sein, das einen gewissen Teil der Neutronen absorbiert und dadurch als Moderator wirkt ; der Reaktor kann aber auch aus einem Kernbrennstoff, einem Kühlmittel aus leichtem Wasser und einem Moderator aus Graphit, Beryllium, schwerem Wasser oder einem andern Moderatormaterial bestehen. Im allgemeinen werden Regelstäbe oder andere Regelorgane vorgesehen, um die Reaktionsfähigkeit des Reaktors und damit die Spaltungsrate innerhalb des Reaktors zu regeln.
Bei einem Siedereaktor wird wenigstens ein Teil des Kühlmittels innerhalb des Reaktors in Dampf übergeführt. Die in dem Kühlmittel enthaltene Wärmeenergie wird entweder mittelbar über einen Wärmeaustauscher oder unmittelbar zur Gewinnung von Dampf für den Hauptantrieb verwertet. Beispielsweise kann das Kühlmittel aus leichtem Wasser bestehen, aus welchem Dampf zum Antrieb einer Dampfturbine gewonnen wird. Eine genauere Darstellung betreffend Siedereaktoren und deren Theorie findet sich in Nucleonics, Band 12, Nr. 7, Seiten 43-47.
Einleitend werden die in der Beschreibung verwendeten Begriffe näher erläutert.
Der Multiplikationsfaktor eines Kernreaktors ist das Verhältnis der Anzahl von Neutronen, die in dem Reaktor in einem Erzeugungsil1tervall entstehen, zu der Anzahl von Neutronen, welche in dem nachfolgenden Erzeugungsintervall entstehen. Dieses Verhältnis muss wenigstens 1 betragen, damit eine sich selbst
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tenreaktion die Tendenz abzusterben, ist er grösser als 1, so wird die Reaktion heftiger.
Reaktivität ist die Differenz zwischen dem Multiplikationsfaktor eines Reaktors und der Zahl l, dividiert durch den Multiplikationsfaktor des Reaktors. Eine positive Reaktivität zeigt einen Multiplikationsfaktor des Reaktors grösser als 1 und eine negative Reaktivität einen Multiplikationsfaktor kleiner als 1 an. Die Umwandlung erfolgt, wenn ein Brutstoff, wie Uran 238 oder Thorium 232, Neutronen einfängt und in Plutonium oder Uran 233 umgewandelt wird. Plutonium und Uran 233 sind Spaltstoffe. Ein Brüten geht vor sich, wenn eine im Vergleich zum Verbrauch während des Betrieoes höhere Menge des spaltbaren Materials gebildet wird. Das Brutverhältnis hängt von der mittleren Anzahl der für die Umwandlung verfügbaren Neutronen ab.
Demgemäss wird das Brutverhältnis in dem Masse erhöht, als die Neutronenverlnste vermindert werden. Ein flüchtiges, moderierendes und neutronenabsorbierendes Kühlmittel ist ein Kühlmittel, dessen Zustand unter Zufuhr von Energie geändert werden kann und das ferner Neutronen zu moderieren oder zu bremsen und einen Teil der Elektronen mit niedriger Energie zu absorbieren vermag. Ein Beispiel für ein solches Kühlmittel ist leichtes Wasser, welches durch Zufuhr von Wärme mter Zustandsänderung verdampft werden kann. Wasser besitzt aber auch einen moderierenden Einfluss iuf Neutronen und absorbiert einen Teil der thermischen Neutronen.
Ein Abschnitt eines Reaktors, der dampfförmiges Kühlmittel enthält, wird als Siedebereich bezeich- let, während ein Abschnitt, der im wesentlichen kein dampfförmiges Kühlmittel enthält, als Nichtsiede- ) ereich bezeichnet wird.
Reaktoren können im allgemeinen in selbstregulierende und autokatalytische Reaktoren eingeteilt werden. Ein selbstregulierender Reaktor ist ein solcher, bei dem ein Ansteigen der Reaktorleistung ein Ablinken der Reaktivität bewirkt, wodurch wieder die Reaktorleistung verringert wird. Reaktoren dieser Type
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gelten als betriebssicher, d. h. sie laufen ohne Gefährdung zu Ende und wenn die Reaktorleistung die Si- cherheitsgrenzen überschreitet, so hat der Reaktor eher die Tendenz abzusterben als durchzugehen. Ein
Reaktor der autokatalytischen Type ist ein solcher, bei welchem ein Ansteigen der Reaktorleistung ein
Ansteigen der Reaktivität hervorruft, wodurch die Reaktorleistung weiter gesteigert wird.
Wenn die Lei- stung eines Reaktors dieser Type ansteigt, zeigt auch die Reaktivität des Reaktors die Tendenz, grösser zu werden, so dass der Reaktor schliesslich durchgeht und sich selbst zerstört, falls die Reaktion nicht in an- derer Weise gehemmt wird.
Der Blasenkoeffizient der Reaktivität kann als Änderung der Reaktivität, geteilt durch die Änderung in den Blasenräumen, d. h. die durch das verdampfte Kühlmittel entstehenden Blasen, beispielsweise Was- serdampfblasen, definiert werden. Mit beschränkter Gültigkeit kann gesagt werden, dass der Blasenkoeffi- zient der Reaktivität das Verhältnis der Änderung der Reaktivität zur Änderung der Blasen für eine unend- lich kleine Änderung in den Blasen oder einem Blasenanteil ist.
Der Blasenanteil kann als das Volumsverhältnis der Blasen zum Gesamtvolumen des Kühlmittels im Reaktorkern definiert werden, d. i. der Volumsanteil im Reaktorkern, der vom Dampf eingenommen wird. Wenn die Reaktivität ansteigt und der Blasenanteil ansteigt, so ist der Blasenkoeffizient der Reaktivität positiv. Nimmt die Reaktivität ab, während die Blasen zunehmen, so ist der Blasenkoeffizient der Reaktivität negativ.
Der Gesamtblasenkoeffizient der Reaktivität ist der Blasenkoeffizient des gesamten Reaktors, betrachtet als Einheit, zum Unterschied von dem in besonderen Bereichen des Reaktors vorliegenden örtlichen Blasenkoeffizienten der Reaktivität. Der Gesamtblasenkoeffizient der Reaktivität kann dadurch bestimmt werden, dass ein geringer Anteil an Blasen, gleichmässig über den gesamten Reaktor verteilt, erzeugt wird. Der Gesamtblasenkoeffizient der Reaktivität ist dann das Verhältnis der Änderung der Reaktivität, geteilt durch den Anteil an erzeugten Blasen.
Der Blasenkoeffizient der Reaktivität eines bestimmten Abschnittes. ist der örtliche Koeffizient der Reaktivität, welcher die Änderung der Reaktivität des Reaktors - hervorgerufen durch die Änderung der Blasen in einem kleinen Abschnitt-geteilt durch einen, den Kerneinfluss dieses kleinen Abschnittes im Vergleich zum Gesamtreaktor darstellenden Faktor bedeutet.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf selbstregulierende Siedereaktoren, bei welchen moderierende und neutronenabsorbierende Kühlmittel verwendet werden und die eine Kernbrennstoff-urd Moderatoranordnung, welche wenigstens einen sich hindurch erstreckenden Kühlmittelweg aufweist, ein flüchtiges neutronenmoderierendes Kühlmittel, welches innerhalb dieses Weges mit dem Kernbrennstoff unter Schaffung einer* Kernreaktoreinheit zur Freisetzung von Wärme und wenigstens teilweiser Verdampfung des moderierenden Kühlmittels zusammenwirkt, und Einrichtungen zur Zufuhr von flüssigem Kühlmittel zum einen Ende der Einheit und zum Entzug von verdampftem Kühlmittel vom andern Ende der Einheit enthalten.
Ein durch leichtes Wasser gekühlter Reaktor kann so konstruiert werden, dass das Sieden oder Verdampfen des Wassers während des Betriebes die Reaktivität in dem Masse verringert, als das Kühlmittel aus dem Reaktor unter Bildung von Dampf ausgetrieben wird. In einem typischen Reaktor ist die maximale Abnahme der Reaktivität, die im Arbeitsbereich des Reaktors zugelassen werden kann, in der Grössenordnung von 3%, was in einem solchen typischen Reaktor einem Gesamtblasenanteil von 20% entspricht.
Da die Ausgangsleistung eines Siedereaktors vom Hindurchströmen des Dampfes oder dampfförmigen Kühlmittels durch den Reaktor bestimmt ist, wird darauf abgezielt, in einem solchen Reaktor mit einem höchstmöglichen Blasenanteil zu arbeiten, ohne dass die Reaktivität unzulässig absinkt.
Falls ein Reaktorkern mit einem einheitlichen Blasenkoeffizienten der Reaktivität für einen schwach negativen Blasenkoeffizienten bei Zimmertemperatur so ausgelegt wird, dass der Reaktor betriebssicher wird, dann ist der Gesamtblasenkoeffizient der Reaktivität bei Arbeitstemperaturen so gross, dass der Betriebs-Dampfanteil des Reaktors verringert werden muss, wobei die Ausgangsleistung begrenzt wird. Dies ergibt sich dadurch, dass bei den Arbeitstemperaturen die Dichte des Kühlmittels und damit das Atomverhältnis von moderierendem Kühlmittel zu Brennstoff abnimmt. Demgemäss ist, wenn die Dichte des Wassers bei der Arbeitstemperatur verringert wird, der Blasenkoeffizient der Reaktivität grösser und durch einen grösseren Anteil an Dampfblasen wird die Reaktivität bis zu jenem Punkt verringert, bei welchem ein stabiles Arbeiten nicht aufrechterhalten werden kann.
Wenn im Reaktorkern ein genügend hohes Verhältnis von flüchtigem, moderierendem und neutronenabsorbierendem Kühlmittel zu Brennstoff geschaffen wird, um optimale Reaktivität bei der Arbeitstempe- ratur zu gewährleisten, so besitzt der Kern einen im wesentlichen positiven Blasenkoeffizienten der Reaktivität bei Zimmertemperatur, so dass der Reaktor während des Angehens von sich aus nicht betriebs-
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sicher ist. Daher wurde der Reaktor während des Zeitabschnittes in dem er auf die Arbeitstemperatu gebracht wird, unsicher sein.
Die Erfindung zielt darauf ab, neue Siedereaktoren bzw. Siedereaktorsysteme zu schaffen, die, verglichen mit den bisher bekannten Siedereaktoren, eine erhöhte Ausgangsleistung haben, unter allen Bedingungen selbstregulierend sind und in welchen eine erhöhte Menge an dampfförmigem Kühlmittel zur Energieerzeugung zur Verfügung gehalten werden kann. Schliesslich sollen nach der Erfindung verbesserte Kernreaktoren geschaffen werden, die ein erhöhtes Gesamtbrutverhältnis haben.
Ein Siedereaktor, der eine Kernbrennstoff-und Moderatoranordnung, welche wenigstens einen sich hindurch erstreckenden Kühlmittelweg aufweist, ein flüchtiges neutronenmoderierendes Kühlmittel, welches innerhalb dieses Weges mit dem Kernbrennstoff unter Schaffung einer Kernreaktoreinheit zur Freisetzung von Wärme und wenigstens teilweiser Verdampfung des moderierenden Kühlmittels zusammenwirkt, und Einrichtungen zur Zufuhr von flüssigem Kühlmittel zum einen Ende der Einheit und zum Entzug von verdampftem Kühlmittel vom andern Ende der Einheit enthält, ist gemäss der Erfindung dadurch charakterisiert, dass er eine Kernreaktoreinheit erthält, in der in Abwesenheit von verdampftem, moderierendem Kühlmittel das Atomverhältnis von Moderator zu Brennstoff innerhalb der Einheit entlang der Richtung des Kühlmittelstromes ansteigt.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung weist der Siedereaktor wenigstens einen Siedebereich auf, der einen starker positiven Blasenkoeffizienten der Reaktivität hat als der Nichtsiedebereich ; dadurch werden die Auswirkungen des Siedens auf die Gesamtkerncharakteristik des Reaktors verringert und die Menge des im dampfförmigen Zustand im Reaktor zur Energieerzeugung zur Verfügung stehenden Kühlmittels erhöht. Die Blasenkoeffizienten der Reaktivität der Siedebereiche und Nichtsiedebereiche wirken so zusammen, dass ein unter allen Bedingungen zufiiedenstellender Gesamtblasenkoeffizient der Reaktivität des Reaktors erreicht wird.
Die Erfindung wird an Hand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Fig. l und 2 zeigen eine schematische Darstellung zur Erläuterung des der Erfindung zugrunde liegenden Prinzips. Die Fig. 3-6 beziehen sich auf besondere Ausführungsformen der Erfindung und Fig. 7 stellt eine schematische Ansicht eines vollständigen Generatorsystems mit einem Siedereaktor gemäss der Erfindung dar.
Wie bereits erwähnt, steigt der Blasenkoeffizient der Reaktivität mit der Temperatur an, so dass, falls ein gleichförmiger Kern mit einem schwach negativen Blasenkoeffizienten der Reaktivität bei Zimmertemperatur oder bei Anlassbedingungen vorliegt, der Blasenkoeffizient der Reaktivität bei der Betriebstemperatur gross ist und den Betriebs-Dampfgehalt des Reaktors einschränkt.
Durch die Erfindung werden diese Beschränkungen durch Verwendung eines Reaktorkerns mit einem nichteinheitlichen Blasenkoeffizienten der Reaktivität vermieden. Zum Zwecke der Erläuterung kann das Volumen des Reaktorkerns als in zwei Abschnitte geteilt angesehen werden, wie dies in Fig. l, in der ein Teil des Reaktorkerns gezeigt wird, dargestellt ist. In Fig. 1 ist mit 1 der Siedebereich, in welchem ein hohes Verhältnis Moderator zu Brennstoff vorliegt, bezeichnet. Im Nichtsiedebereich 2 ist das Verhältnis Moderator zu Brennstoff niedrig. Das Kühlmittel steigt in den von Brennstoffelementen 4 begrenzten Zonen 3 auf und wird durch die Brennstoffelemente 4 erhitzt. In dem oberen Abschnitt 1 wird beim üblichen Arbeiten ein Sieden bewirkt. In dem unteren Abschnitt 2 erfolgt im wesentlichen kein Sieden.
Da das Sieden im allgemeinen im oberen Abschnitt erfolgt, ist die Arbeitsleistung des Reaktors hauptsächlich von den Kennwerten jenes Teils des Reaktorkerns abhängig. Demgemäss wird erfindungsgemäss der obere oder Siedeteil so ausgelegt, dass er einen positiven Blasenkoeffizienten der Reaktivität bei den Anlasstemperaturen und eine hohe Reaktivität bei den Arbeitstemperaturen hat. Ferner ist auch ein ausgedehnter Bereich fur das Fliessen des Kühlmittels vorgesehen, indem einige der Brennstoffelemente im Siedebereich entfernt sind, um dadurch das Abführen von verdampftem Kühlmittel zu erleichtern. Eine weitere Vergrösserung der Bereiche für das Strömen des Kühlmittels kann durch Entfernen einiger der Brennstoffelemente aus diesem Bereich erzielt werden.
Die Nichtsiedebereiche haben einen ausreichend negativen Blasenkoeffizienten der Reaktivität, bezogen auf die Blasenkoeffizienten der Siedebereiche, so dass bei allen Temperaturen, vom Anlassen bis
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Im Bereich zwischen Null und negativen Werten, so dass der Reaktor betriebssicher ist.
Es wird also durch Auslegen des Siedebereiches des Reaktorkerns für die günstigste Betriebsleistung bei der Arbeitstemperatur eine erhöhte Leistung unter gleichzeitiger Gewährleistung der Sicherheit des Reaktors durch Auslegen des Nichtsiedeabschnittes des Kerns mit einem genügend grossen, negativen Blasen-
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stets zufriedenstellend ist, u. zw. sowohl bei der Betriebstemperatur als auch bei Zimmer-oder Anlasstemperatur.
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Fig. 2 zeigt eine Darstellung der relativen Reaktivität, die auf der Ordinate aufgetragen ist, als Funk- tion des auf der Abszisse aufgetragenen Verhältnisses von moderierendem, neutronenabsorbierendem
Kühlmittel zu Kernbrennstoff. Ein Ansteigen der Temperatur des Kühlmittels und bzw. oder die Bildung von Blasen verringern das Verhältnis von Kühlmittel zu Brennstoff. Die Bereiche der Kurve, die eine ne- gative Steigung zeigen, stellen die in jenen Abschnitten des Reaktors erhaltenen Bedingungen dar, in wel- chen das Austreiben des Kühlmittels eine Erhöhung der Reaktivität nach sich zieht ; in dem Masse, als das
Verhältnis von Kühlmittel zu Brennstoff absinkt, steigt die Reaktivität an. Der Reaktor ist übermoderiert und hat einen positiven Blasenkoeffizienten der Reaktivität.
Ein Ausstossen an Brennstoff wirkt in Richtung einer Erhöhung der Reaktivität und kann schliesslich ein Durchgehen des Reaktors und möglicherweise eine Selbstzerstörung bewirken.
Jene Abschnitte der Kurve, die eine. positive Steigung haben, stellen die in den untermoderierten Ab- schnitten des Reaktors vorliegenden Bedingungen dar, bei welchen ein Absinken des Verhältnisses Kühl- mittel zu Brennstoff ein Absinken der Reaktivität bewirkt. Diese Abschnitte haben einen negativen Koeffi- zienten der Reaktivität. Ein Austreiben des moderierenden Kühlmittels ergibt ein Absinken der Reaktivi- tät. Im Falle des übermässigen Siedens zeigt der Reaktor die Tendenz abzusterben und sicher auszugehen.
Der in Fig. 1 dargestellte Reaktor kann erfindungsgemäss als Reaktor mit einem positiven Blasen- koeffizienten der Reaktivität im Siedebereich bei Anlasstemperatur entworfen und durch den Punkt Br der
Kurve dargestellt werden. In dem Masse, als die Temperatur des Reaktorkerns ansteigt, nimmt die Reak- tivität des Siedebereichs des Kerns entlang der Kurve bis zum Punkt Bo zu.
Bei den Betriebstemperaturen ist demgemäss die Reaktivität des Siedebereichs des Kerns hoch. Während des Siedens nimmt die Reaktivität in Abhängigkeit von der Bildung von Dampfblasen entlang der Kurve bis zum Punkt Bb ab, bei welchem der Abfall der Reaktivität infolge des Siedens so gross ist, dass Instabilität auftritt. Der durch die Dampfblasen hervorgerufene Abfall der Reaktivität wird durch den Abstand Ro -1\ dargestellt. Die Projektion des Abstandes Bo -Bb auf die Abszisse zeigt das Maximum des zulässigen Dampfblasenanteils oder die Menge des in dampfförmigem Zustand befindlichen Kühlmittels an, das im Reaktor für die Energieerzeugung zur Verfügung steht.
Um dem positiven Blasenkoeffizienten der Reaktivität des Siedebereiches während des Anlassens ent- gegenzuwirken, wird der Rest des Kerns oder der Nichtsiedebereich mit einem negativen Blasenkoeffizienten der Reaktivität, der durch den Punkt NBr gekennzeichnet ist, so gewählt, dass der Gesamtblasenkoeffizient der Reaktivität des Reaktors beim Anlassen zufriedenstellend ist. Ein Ansteigen der Blasenausbildung-hervorgerufen durch eine Energiewoge, die durch unachtsames Herausziehen der Regelstäbe ausgelöst sein kann-führt zu einer verringerten Reaktivität. Der Reaktor ist daher unter allen Bedingungen betriebssicher.
In Siedereaktoren, die einen einheitlichen Blasenkoeffizienten der Reaktivität haben, muss der Blasenkoeffizient der Reaktivität bei Zimmertemperatur Null betragen oder bei schwach negativen Werten liegen, so dass der Reaktor unter allen Bedingungen betriebssicher ist. In dem Masse, als die Reaktortemperatur ansteigt, nimmt das Atomverhältnis von Wasser zu Brennstoff ab und die Reaktivität nimmt ab, bevor ein Sieden erfolgt.
Demgemäss können die Kennwerte eines Reaktors mit einem einheitlichen Blasenkoeffizienten der Reaktivität bei Anlasstemperatur durch den Punkt Ur der Kurve und bei Betriebstemperatur durch den Punkt U bezeichnet werden. Der Arbeitspunkt, bei welchem Instabilität auftritt, wird mit Ub bezeichnet und entspricht einer Verringerung der Reaktivität auf Grund des Siedens Rb wobei Ro Rb entspricht. Der zur Energieerzeugung zur Verfügung stehende Prozentsatz an Dampfblasen ist durch die Projektion des Abstandes Uo-Ut, der Kurve auf die Abszisse gegeben. Diese ist kleiner als die Projektion Bo-Bb'die für den gleichen Gesamtabfall der Reaktivität bei nichtgleichförmigen Kernen zur Verfügung steht.
In jedem in Fig. 2 gezeigten Falle wird die Dampfbildung über dem gleichen Bereich des durch Dampfblasen geregelten Reaktivitätsabfalles erhalten, aber der zulässige Anteil an Dampfblasen und damit die Ausgangsleistung ist im Reaktor gemäss der Erfindung grösser. Bei einem gegebenen Abfall der Reaktivität im Reaktor gemäss der Erfindung ist die Zahl der Dampfblasen grösser, d. h. der zulässige Blasenanteil ist grösser und daher ist die Ausgangsleistung erhöht, jedoch ist der Reaktor immer betriebssicher, da der Gesamtblasenkoeffizient der Reaktivität stets befriedigend ist.
Demgemäss ist für das gleiche Ausmass an Reaktivität, die durch Dampfblasen geregelt wird, die ver- fügbàre Leistung eines gemäss der Erfindung konstruierten Reaktors höher als jene, die mit einem, einen einheitlichen Blasenkoeffizienten der Reaktivität aufweisenden Reaktor erzielbar ist,
Die Kennwerte des Blasenkoeffizienten der Reaktivität eines erfindungsgemässen Reaktors mit 2 Abschnitten (Siedebereich und Nichtsiedebereich) können in der folgenden Tabelle zusammengefasst werden :
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<tb>
<tb> Zimmert, <SEP> mperatur <SEP> : <SEP> Betriebstemperatur <SEP> : <SEP> betriebstemperatur <SEP> ; <SEP>
<tb> Sieden <SEP> :
<tb> Gesamtblasenkoeffizient <SEP> zufriedenstellend, <SEP> negativ <SEP> sehr <SEP> stark <SEP> negativ
<tb> der <SEP> Reaktivität <SEP> vernachlässigbar.
<tb>
Siedebereich <SEP> ; <SEP> örtlicher <SEP>
<tb> Blasenkoeffizient <SEP> der <SEP> positiv <SEP> etwa <SEP> Null <SEP> negativ
<tb> Reaktivität
<tb> Nichtsiedebereich <SEP> ; <SEP>
<tb> örtlicher <SEP> Blasenkoeffizient <SEP> negativ <SEP> stark <SEP> negativ <SEP> extrem <SEP> negativ
<tb> der <SEP> Reaktivität
<tb>
Den vorstehenden Angaben ist zugrunde gelegt worden, dass ein Moderator aus leichtem Wasser Ver- wendung findet.
Bei den Reaktoren gemäss der Erfindung können jedoch auch andere Moderatoren, bei- spielsweise ein moderierendes Material, das eine relativ hohe latente Verdampfungswärme besitzt und
Neutronen absorbiert, oder Kombinationen von solchen, beispielsweise eine Kombination von leichtem
Wasser und Graphit oder leichtem Wasser und andern wasserstoffbältigen Moderatoren verwendet werden.
Für die Verwendung in den üblichen Kraftanlagen ist Wasser besonders vorteilhaft, aa es eine relativ kurze
Halbwertszeit (in der Grössenordnung von Sekunden) besitzt, wodurch die Wahrscheinlichkeit für Verseu- chungen von Leitungen und Turbineneinrichtungen relativ gering ist und wobei die Gefahren für das Be- dienungspersonal auf ein Minimum herabgesetzt sind.
Der Reaktorkern kann zwei Bereiche, nämlich einen Siedebereich oder einen Nichtsiedebereich, oder eine Mehrzahl von Bereichen mit unterschiedlichen Blasenkoeffizienten der Reaktivität aufweisen, da das
Sieden in gewissem Ausmass nicht nur in einem bestimmten Bereich erfolgt. Die Blasenkoeffizienten der Reaktivität können sich gleichmässig oder ungleichmässig entlang der Kühlkanäle oder innerhalb des Kerns ändern, wie dies durch die besonderen Erfordernisse des Reaktors gegeben ist. Erfindungsgemäss kann der Blasenkoeffizient der Reaktivität entlang einer, zweier oder dreier Dimensionen des Reaktorkerns abge- wandelt werden, um eine dem Optimum angenäherte Ausgangsleistung zu erhalten.
Der Brennstoff kann die Form von Stäben, Platten oder Teilchen haben, die spaltbare Stoffe, wie Uran 235, Uran 233 oder Plutonium in metallischer Form oder in Form von Verbindungen enthalten. Dieser Brennstoff kann in Spaltstoff umwandelbare Materialien, wie Uran 238 oder Thorium 232 in metallischer Form oder in Form von Verbindungen enthalten. Stoffe, wie Zirkon, Aluminium, Edelstahl od. dgl., können als Streckmittel für den Brennstoff oder als Überzugsmaterial verwendet werden. Beim Betrieb der erfindungsgemässen Reaktoren können beträchtliche Mengen an spaltbarem Material gebildet werden.
Der Reaktorbrennstoff kann auch die Form eines homogenen Schlammes haben, der die notwendigen festen Moderatorstoffe so dispergiert enthält, dass ein wirksamer, nichteinheitlicher Blasenkoeffizient der Reaktivität innerhalb der homogenen Masse erhalten wird.
Das flüchtige moderierende Kühlmittel kann durch den Kern des Reaktors unter Einwirkung äusserer Kräfte zirkulieren ; es kann aber auch die natürliche Zirkulation ausgenützt werden. Die Kühlmittelkanäle können horizontal oder vertikal verlaufen, wie dies durch die Konstruktionsmerkmale für den jeweiligen Reaktor oder das Reaktorkraftsystem gegeben ist. Die Erfindung kann mit einem zweizyklischen Reaktor jener Art durchgeführt werden, wie er in der österr. Patentschrift Nr. 193028 beschrieben worden ist, etwa um das in Fig. 7 der genannten Patentschrift als Beispiel beschriebene System zu verbessern.
Fig. 3 erläutert eine besondere Ausführungsform eines erfindungsgemässen Reaktors. In der Zeichnung ist nur ein Teil des Reaktorkerns und der übrigen Bestandteile gezeigt, um, ebenso wie in den Fig. 4, 5 und 6, die Darstellung zu vereinfachen. Auch sind Tragorgane für den Kern, Förderpumpen, Abschirmeinrichtungen, Reinigungsanlagen für das Kuhlmittel sowie Regel- und Ableseeinrichtungen, die für ein vollständiges Reaktorsystem notwendig sind, weggelassen worden.
Der Reaktorkern enthält eine Mehrzahl von Urandioxydstäben, die mit einem geeigneten Material, wie Zirkon, überzogen sind. Die Stäbe sind etwas mit Uran 235 angereichert und so angeordnet, dass eine uneinheitliche Konzentration an Kernbrennstoff entlang der durch die Stäbe festgelegten Kühlmittelwege vorliegt und das Verhältnis von flüssigem Moderator zu Brennstoff in den unteren Abschnitten niedrig und in den oberen Abschnitten hoch ist. Als Moderator- und Kühlmittel wird leichtes Wasser verwendet. Entlang der Kühlmittelwege, die durch die Stäbe festgelegt sind, werden 3 Abschnitte mit verschiedenen
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Blasenkoeffizienten der Reaktivität geschaffen. Der Kern enthält kurze Brennstoffstäbe 10, Stäbe 11 von mittlerer Länge und Stäbe 12, die sich über die volle Länge des Kerns erstrecken und in leichtes Wasser
13eingetaucht sind.
Der Reaktorkern ist von einem Reaktorbehälter 14 umgeben, der einen Dampfraum 15 aufweist und mit einem Dampfauslass 16 sowie einer Kühlmittelzufuhr 17 ausgestattet ist.
Die Fig. Sa, 3b und 3c zeigen Querschnitte a-a, b-b und c-c durch einen Teil des Reaktors. Kühlmittel aus einem Turbinenkondensor oder einer Zufuhrleitung wird bei 17 eingeführt, fliesst, wie durch die Pfeile angegeben ist, durch die Kanäle bzw. Wege, die durch die Stäbe festgelegt sind und wird über nicht dargestellte Leitungen zurückgeführt. Das hauptsächliche Sieden erfolgt in Abschnitt 18 und der Dampf wird aus dem Dampfraum 15 durch den Dampfauslass 16 abgeführt.
Während des Betriebes wird das Wasser in dem unteren Drittel des Kerns erhitzt, während in den oberen zwei Dritteln des Kerns das Sieden erfolgt. Bei Zimmertemperatur entspricht der höchste Multiplikationsfaktor dieses Reaktors einer Kernzusammcnsetzung, die etwa einen Teil schwach mit Urandioxyd angereicherten Schlamm hoher Dichte und etwa 2 Teile Wasser enthält. Bei der Betriebstemperatur wird der höchste Multiplikationsfaktor erhalten, wenn etwa 1 Vol.-Teil des Betriebsstoffes und 3 Vol.-Teile Wasser verwendet werden. Das Träger- und Überzugsmaterial beansprucht etwa einen weiteren Raumteil.
Wenn der gesamte Reaktor für. ein Verhältnis Wasser zu Brennstoff von 3 ausgelegt wäre, könnte dieser Reaktor bei Zimmertemperatur nicht sicher in Gang gebracht werden, da unter diesen Bedingungen der optimale Multiplikationsfaktor bei Zimmertemperatur mit einem Wasser-Betriebsstoffverhältnis von 2 erreicht wird, so dass ein Reaktor, der ein Wasser-BrennstoffverhÅaltnis von 3 hat, anfangs auf Grund der Dampfbildung an Reaktivität gewinnen würde und dadurch unstabil wäre.
Demgemäss ist nur der obere Abschnitt des Reaktors, in dem im wesentlichen das Sieden während des Betriebsvorganges von sich geht, so ausgelegt, dass das Wasser-Brennstoffverhältnis 3 beträgt. Die übrigen Teile des Reaktorkerns haben ein geringeres Wasser-Brennstoffverhältnis, welches in der Bodenregion etwa 1, 5 beträgt. Auf diese Weise wird der Reaktor durch die plötzliche Bildung von Dampf während des Anlassvorganges gebremst und der Reaktor ist betriebssicher. Wird jedoch der Abschnitt des Reaktors, in dem das Sieden vor sich geht, mit einem Wasser-Brennstoffverhältnis von 3 ausgelegt, so ist der während des Betriebes vorliegende Dampfblasenkoeffizient so klein wie möglich.
Durch Anwendung eines niedrigen Wasser-Brennstoffverhältnisses im Nichtsiedebereich, wodurch ein grosser Anteil an Ausgangsleistung erzielt wird, wird eine Verbesserung im Konversionskoeffizienten oder Brutverhältnis des gesamten Reaktors erzielt. Dies ergibt ferner ein verbessertes Wärmeübertragungsverhältnis und unter den jeweiligen Bedingungen einen Reaktor mit erhöhter Sicherheit.
Ausserdem ist die Menge des Kühlmittels im oberen Teil des Reaktors gross-etwa 60% des Siedebereiches des Kerns sind mit Kühlmittel gefüllt -. so dass ein grosser Raum für das Ausströmen des Dampfes zur Verfügung steht. Dies gestattet eine erhöhte Dampfproduktion.
Fig. 4 erläutert eine andere Ausführungsform der Erfindung. Platten mit einer stark angereicherten Uranlegierung des Aluminiums oder Zirkons, die in geeigneter Weise mit Aluminium oder Zirkon überzogen sind, sind in der Weise in dem Nichtsiedebereich angeordnet, dass das Verhältnis von modereren- dem Kühlmittel zu Brennstoff niedrig ist und in den Siedebereichen das Verhältnis von moderierendem Kühlmittel zu Brennstoff hoch ist. Der Reakto'-kern enthält eine Mehrzahl langer Platten 19 und aufeinanderfolgend kürzere Platten 20 und 21, die so angeordnet sind, dass dadurch eine Mehrzahl von Bereichen
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raum 25 aufweist, eingeschlossen. Die Brennstoffplatten haben ein grosses Verhältnis Oberfläche zu Volumen, so dass der Energietransport in Richtung zum Kühlmittel erhöht ist.
Nach einer besonderen Ausführungsform wird beispielsweise Kühlmittel von einem Kondensor oder einer Speiseleitung über Einlass 23 zugeführt und fliesst, wie durch die Pfeile angegeben, durch die von den Platten umgrenzten Kanäle. Ein Teil des Kühlmittels wird verdampft und sammelt sich im Dampfraum 25. Der Rest des Kühlmittels fliesst über nicht dargestellte Wege zurück und passiert erneut die Brennstoffplatten. Aus dem verdampften Kühlmittel, das durch die Öffnung 24 austritt, wird Energie entzogen, das Kühlmittel wird kondensiert und zum Reaktor zurückgeführt.
Die Fig. 5 und 6 zeigen eine andere Ausführungsform der Erfindung ; in diesen beiden Figuren sind gleiche Organe- durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet. Gemäss dieser Ausführungsform der Erfindung werden ein flüchtiges, moderierendes Kühlmittel und ein fester Moderator verwendet. In Fig. 5 werden
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telkanäle 29 eine Mehrzahl von Bereichen mit sich änderndem bzw. uneinheitlichem Blasenkoeffizienten der Reaktivität entstehen. Gemäss Fig. 5 sind die Graphitblöcke nach oben zu verjüngt, so dass die Konzentration an Moderator längs der Kühlmittelkanäle variiert.
Anderseits können auch Brennstoffteilstücke von verschiedenem Querschnitt verwendet werden, wobei eine Mehrzahl von Bereichen mit verschiedenem
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durch Leitung 31 dem Reaktorbehälter 32 in der durch die Pfeile angegebenen Richtung zugeführt, fliesst durch die Kanäle 29 und kehrt über nichteingezeichnete Wege zurück. Das verdampfte Kühlmittel strömt durch die Öffnung 33, worauf dem verdampften Kühlmittel Energie entzogen wird.
Der Brennstoff kann auch in Form von üblichen geformten Teilchen, wie beispielsweise in Chemical Engineers Handbook, McGraw-Hill, 1954, Seite 1040 angegeben, in einer Lage solcher Dichte angeordnet werden, dass die Dichte oder Konzentration des Brennstoffes am Boden der Lage am grössten und am oberen Ende der Lage am niedrigsten ist. Dies kann erreicht werden, indem die Form, die Teilchenverteilung oder die Brennstoffkonzentration in den aufeinanderfolgenden Schichten der Teilchen verändert wird. Die Teilchen legen die. Wege des Kühlmittels fest und die Lage wird mit dem Kühlmittel überdeckt.
So wird erreicht, dass das Verhältnis von flüchtigem moderierendem und neutronenabsorbierendem Kühlmittel im Siedebereich, d. h. im oberen Teil des Reaktors hoch und im unteren Nichtsiedebereich des Reaktors verhältnismässig niedrig ist.
Fig. 7 erläutert die Erfindung an Hand eines zwei Kreisläufe aufweisenden Siedereaktors der in der österr. Patentschrift Nr. 193028 beschriebenen Art. Es kann ein nichteinheitliches Verhältnis von flüchtigem moderierendem Kühlmittel zu Brennstoff in einem Reaktor mit Kühlmittelkanälen von im wesentlichen einheitlichen Abmessungen dadurch erreicht werden, dass die Konzentration des Brennstoffes in den Brennstoffelementen zur Erzielung der gewünschten Änderung des Blaseiikobfilzienten der Reaktivität entlang des Kühlmittelkanals verändert wird. Anderseits kann ein Kern mit einer Mehrzahl von Brennstoffstäben oder-platten, wie dies im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. 3 und 4 erwähnt worden ist, für das in Fig. 7 beschriebene System verwendet werden.
Der Reaktorbehälter 34emhält den Reaktorkern 35 und weist einen Dampfabschnitt oder eine Dampfzone 36, die sich oberhalb der Oberfläche des Kühlmittels 37 befindet, auf. Der Reaktor besteht aus einer Mehrzahl von Kernbrennstoffgliedern 38, die nach diesem Beispiel die Form von Kuhlmittelkanäle 39 freilassenden Platten aufweisen : Die Reaktivität des Reaktorkerns 35 wird durch eine Mehrzahl von Regelstäben 40 geregelt, die, wie durch die Pfeile angegeben ist, zur Erzielung der gewünschten Spaltrate, in einen Teil der Kanäle hinein oder aus diesen heraus bewegt werden können. Aus dem Dampfraum 36 wird der Dampf über Leitung 42 zur Kammer 43 geleitet, in der das Wasser abgeschieden und über Leitung 44 zum Boden des Reaktorbehälters 34 zurückgeleitet wird.
Aus der Dampfkammer wird der Dampf über Leitung 45 zu der Eingangsstufe einer Hochdruckturbine 46des Mehrstufenturbogenerators 47 geführt. Der Turbogenerator 47 besteht aus einer Hochdruckmehrstufenturbine 46 und einer Niederdruckmehrstufenturbine 48, die über eine Antriebswelle mit dem Genera- tor 49 verbunden sind. Aus dem Generator kann über die Ausgangsklemmen 50 elektrische Energie entnommen werden. Der Abdampf aus der Hochdruckstufe 46 wird über Leitung 51 zur Mehrstufenniederdruckturbine 48 geleitet. Der Abdampf von der Turbine 48 wird in einem Kondensor 52 kondensiert und über die Leitung 53 der Pumpe 54 zugeführt. Von der Pumpe 54 fliesst das Wasser über Leitung 55 zur Pumpe 56 und wird über Leitung 57 in einem unterkühlten Zustand der Einlassöffnung des Reaktors 34 zugeleitet.
Dies stellt den Dampfzyklus des Reaktorsystems dar. Die Verwendung eines Reaktorkerns mit einem uneinheitlichenBlasenkoeffizienten der Reaktivität ergibt einen höheren Prozentsatz an zulässigem Dampfblasenraum, d. h. einen höheren Dampfblasenanteil bei gegebener Gesamtreaktivität als für den Fall verfügbar wäre, dass ein Kern mit einem einheitlichen Blasenkoeffizienten der Reaktivität verwendet würde. Dadurch ist die verfügbare Leistung erhöht.
In dem Wasserzyklus des Reaktorsystems wird nichtsiedendes Wasser von hoher Temperatur über Leitung 58 abgezogen und fliesst durch die Wärmeverwertungsvorrichtung 59. Diese Wärmeverwertungsvorrichtung kann z. B. ein Wärmeaustauscher sein, der dazu verwendet wird, um Wasserdampf für die Niederdruckstufe der Turbine zu erzeugen, oder in diesem besonderen Beispiel kann die Wärmeverwertungsvorrichtung 59 aus einer Verdampfüngskammer bestehen. Über ein Druckreduktionsventil 60 wird Wasser von hoher Temperatur in eine Kammer 59, die unter vermindertem Druck gehalten wird, eingespritzt, so dass ein Teil des heissen Wassers sofort in Dampf übergeführt wird, der über Leitung 61 zur Niederdruckturbine 48 geführt wird.
Jener Teil des nichtsiedenden Kühlmittels oder Wassers, das in der Verdampfungskammer 59 nicht in Dampf übergeführt worden ist, wird über Leitung 62 zur Pumpe 56 zurückgeführt, die dieses Wasser zusammen mit jenem aus dem Kondensor 52 zur Reaktoreinlassöffn'mg 34 zurückführt.
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Das in Fig. 7 beschriebene System kann als Zweikreislaufsiedereaktorsystem bezeichnet wenden, das erfindungsgemäss einen Kern mit uneinheitlichem Blasenkoeffizienten der Reaktivität aifweist. Es weist einen Dampf oder aampfförmiges Kühlmittel enthaltenden Kreislauf und einen Flüssigkeit oder nichtsiedendes Kühlmittel enthaltenden Kreislauf auf, wobei durch beide Energie aus dem Reaktor zum Turbogenerator geführt wird.
Um den Reaktorbehälter 34 sowie die andern Vorrichtungen und Leitungen sind geeignete Strahlungsschutzeinrichtungen angeordnet, die jedoch zur Vereinfachung nicht dargestellt worden sind. Aus dem gleichen Grunde ist eine Anzahl zusätzlicher, für ein vollständiges arbeitsfähiges System notwendiger Elemente nicht dargestellt worden. Solche Einrichtungen sind beispielsweise Reinigungsvorrichtungen, durch die reines Kühlmittel für den Reaktor hergestellt wird, Dampfabscheideeinrichtungen, Speisewassererhitzer, Druckregeleinrichtungen, ein Kondensorkuhlsystem sowie die erforderlichen Mess- und Regeleinrichtungen.
Das flüchtige, moderierende Kühlmittel wird, während es durch die Kanäle 39 fliesst, erhitzt. Es können auch horizontale Kanäle im Reaktor angewendet werden ; zur Vereinfachung der Beschreibung sind nur vertikale Kanäle dargestellt worden. In dem Masse, als das Kühlmittel durch die Kanäle 39 aufsteigt, absorbiert es zunehmende Wärmemengen, die die Entstehung einer Mehrzahl von Dampfblasen in der Flüssigkeit hervorrufen.
Der Prozentsatz oder die Konzentration dieser Dampfblasen bestimmt im Falle eines Wassersiedereaktors die Reaktivität des Reaktors. Ebenso, wie bereits in der österr. Patentschrift Nr. 193028 beschrieben, wird der Dampf in grösserem Massstabe bei den Auslass- oder oberen Enden der Kanäle 39 gebildet ; so dass die Ausgangsleistung des Reaktors erhöht ist. Dies wird begünstigt durch Einführen von unterkühltem Kühlmittel am unteren Ende des Reaktors und wirksamen Entzug eines Teils der Warme aus dem mittleren Teil des Rcaktorkerns, um das Sieden auf das Ende des Kernbereiches zu beschränken.
Diese Massnahme ergibt eine weitere'Erhöhung der Leistung im oberen Teil des Kerns als Ergebnis der Veränderung des Verhältnisses von moderierendem Kühlmittel zu Kernbrennstoff entlang der Reaktorkühlmittelkanäle, so dass die Anzahl an verfügbaren Dampfblasen an diesem Ende des Bereiches erhöht ist, ohne dass die Grenzen für nukleare Stabilität überschritten werden.
Für die gleiche Gesamtreaktivität kann auf diese Weise im Vergleich zu einer gegebenen Anzahl an Dampfblasen mehr Leistung erhalten werden. Der Blasenkoeffizient der Reaktivität von mit schwerem Wasser gekühlten und moderierten Reaktoren kann unter Verwendung einer einheitlichen Brennstoffbe- schickung in zufriedenstellender Weise eingestellt werden. Durch die Erfindung wird die Anwendung höherer Brennstoffkonzentrationen in den Nichtsiedebereichen ermöglicht, wobei das Bildungsverhältnis verbessert wird und der (negative) Gesamtreaktorblasenkoeffizient der Reaktivität ohne Beeinträchtigung des örtlichen Blasenkoeffizienten der Reaktivität des Siedebereiches ansteigt. Auf diese Weise können erfindungsgemäss Siedereaktoren mit schwerem Wasser erhalten werden, die ein verbessertes Brutverhältnis aufweisen und sicnerer sind.
Ferner wird der während der Reaktion vorliegende Blasenkoeffizient der Reaktivität auf niedrigen Werten gehalten und ausserdem wird durch ein höheres Kühlmittel zu Brennstoffverhältnis beim Kühlmittelaustritt das "Entweichen von Dampf oder verdampftem Kühlmittel erleichtert.
Der Reaktor ist dadurch unter allen Bedingungen sicher, da der wirksame Gesamtblasenkoeffizient der Reaktivität stets zufriedenstellend ist. Überdies ist dasBrutverhältnis oder der Konversionskoeffizient des Reaktorkerns verbessert, da der Nichtsiedebereich des Reaktors, in dem ein wesentlicher Teil der Leistung entsteht, ein niedriges Kühlmittel zu Kernbrennstoffverhältnis und daher einen hohen Konversionskoeffizienten aufweist.
PATENTANSPRÜCHE.
1. Siedereaktor, enthaltend eine Kernbrennstoff- und Moderatoranordnung, welche wenigstens einen sich hindurch erstreckenden Kühlmittelweg aufweist, ein flüchtiges neutronenmoderierendes Kühlmittel, welches innerhalb dieses Weges mit dem Kernbrennstoff unter Schaffung einer Kernreaktoreinheit zur Freisetzung von Wärme und wenigstens teilweiser Verdampfung des moderierenden Kühlmittels zusammenwirkt, und Einrichtungen zur Zufuhr von flüssigem Kühlmittel zum einen Ende der Einheit und zum Entzug von verdampftem Kühlmittel vom andern Ende der Einheit, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Kernreaktoreinheit enthält, in der in Abwesenheit von verdampftem, moderierendem Kühlmittel das Atomverhältnis von Moderator zu Brennstoff innerhalb der Einheit entlang der Richtung des Kühlmittelstroms ansteigt.