Heterogener Atomkernreaktor Die Erfindung bezieht sich auf einen heterogenen Atomkernreaktor, aus welchem die im Spaltstoff erzeugte Wärme durch eine- den Spaltstoff umströ mende, vom Moderator umgebene Druckwasserschicht bei einem hohen, eine Dampfbildung mindestens ver zögernden Wasserdruck entnommen wird.
Bei Reaktoren dieser Gattung ist es vorteilhaft, die Wärme bei hoher Temperatur zu entnehmen. Hohe Temperatur bedingt aber hohen Druck des die Wärme aus den Heizelementen des Reaktors entnehmenden Druckwassers, damit nicht unkontrollierbare Dampf bildungen in den Druckwasserschichten auftreten. Hoher Druck wiederum erfordert grosse Wandstärke der die Druckwasserschicht nach aussen gegen den Moderator abgrenzenden Wandungen und daher, da diese Wandungen von den Neutronen durchdrungen werden müssen, grosse Verluste an Neutronen. Ferner wird infolge der hohen Temperaturen der Druck wasserschicht auch der Moderator wesentlich aufge heizt und verliert dadurch, insbesondere wenn ein flüssiger Moderator verwendet wird, einen Teil seiner Eigenschaft, Neutronen zu bremsen.
Um diesen Schwierigkeiten zu begegnen, wird gemäss der Erfindung vorgeschlagen, dass ein flüssiger, unter mindestens annähernd dem Druck des Druck wassers stehender Moderator verwendet, und dass der Moderator mittels einer Isolierschicht gegen die Druckwasserschicht wärmeisoliert ist. Hierdurch wird erzielt, dass die die Druckwasserschicht nach aussen abgrenzenden Wandungen nicht mehr einem einsei tigen Druck ausgesetzt sind, sondern einem beidersei tigen, also mit nur geringer Wandstärke ausgeführt werden dürfen, wodurch die Verluste an Neutronen verringert werden. Und ferner wird hierdurch erzielt, dass infolge der Isolierschicht die Temperatur des Moderators niedrig bleibt.
Erst infolgedessen wird die Verwendung eines flüssigen Moderators erleich- tert, der es hinwiederum erst ermöglicht, von aussen her auf die die Druckwasserschicht nach aussen ab grenzende Wandung wie erwähnt den ungefähr glei chen Flüssigkeitsdruck auszuüben, wie er in ihrem Innern herrscht und es - womit der Kreis sich schliesst - ermöglicht,. wie schon erwähnt die Wandstärke gering und so den Neutronenverlust klein zu halten.
Es kann sowohl das die Wärme entnehmende Druckwasser als auch der flüssige Moderator aus gleichem, mit schwerem Wasser angereicherten Wasser bestehen.
Dies hat den Vorteil, dass dann das Druckwasser und der Moderator unmittelbar miteinander in Druck verbindung gebracht werden können, so dass ihre Drücke sich selbsttätig ausgleichen.
Vorteilhaft ist es, wenn auch der wärmeisolierende Stoff der Isolierschicht unter mindestens annähernd dem gleichen Druck steht wie das Druckwasser und der Moderator.
Dabei kann der wärmeisolierende Stoff unmittelbar das Druckwasser gegen den Moderator abgrenzen und so den gleichen Druck unmittelbar empfangen. Da der wärmeisolierende Stoff dann von innen und aussen den gleichen Druck empfängt, so darf er z.-B. als relativ dünnwandiges keramisches Rohr ausgeführt sein, ohne dass Gefahr besteht, dass der hohe Druck das Rohr beschädigt.
Es kann aber auch die Isolierschicht relativ dünne und nachgiebige Wände besitzen, welche den wärme isolierenden Stoff zwischen sich einschliessen und ihn einerseits gegen das Druckwasser und anderseits gegen den Moderator abgrenzen und, indem sie sich auf den wärmeisolierenden Stoff abstützen, auch diesem den Druck des Druckwassers und des Moderators mitteilen. Dies hat den Vorteil, dass sich als wärme isolierender Stoff auch eine z. B. körnige, trockene Substanz verwenden lässt, wobei die sie dicht ein schliessenden Wände sich wie erwähnt auf ihr ab stützen, daher trotz dem hohen Druck, wie erwähnt, dünn sein dürfen und daher nur unwesentliche Neu tronenverluste verursachen.
Der wärmeisolierende Stoff der Isolierschicht kann Kohlenstoff sein. Da derselbe keine grosse Festigkeit besitzt, ermöglicht es erst die Erfindung, ihn auch trotz hohen Drücken des Druckwassers unbedenklich verwenden zu können und so insbesondere seine nach stehenden Eigenschaften nutzbar zu machen: dass er nur wenig Neutronen einfängt, dass er selber schon als Moderator wirkt und dass er unter Einwirkung der im Reaktorinnern herrschenden Strahlung selbsttätig seinem amorphen Zustand zustrebt, in welchem seine Isolierwirkung ein Optimum ist.
Die Isolierschicht kann relativ dünne Wände be sitzen, welche den wärmeisolierenden Stoff einerseits gegen das Druckwasser und anderseits gegen den Moderator abgrenzen, wobei als wärmeisolierender Stoff ein Fluid dient.
In der Isolierschicht können Mittel vorgesehen sein, durch welche Konvektionsströmungen des Fluids behindert werden. Beispiele für solche Mittel sollen weiter unten an Hand der Zeichnung noch beschrieben werden.
Das Fluid kann ein Gas sein und über ein das Eindringen von Flüssigkeit in die Isolierschicht ver hütendes Gasreservoir in Druckverbindung mit dem flüssigen Moderator stehen, wobei als Gas Luft, aber auch z. B. ein gasförmiger Moderator gewählt werden kann, der dann schon in der Isolierschicht eine Moderatorwirkung ausübt und so die Wirkung des flüssigen Moderators des Reaktors unterstützt.
Als Fluid kann ferner Moderatorflüssigkeit dienen, die in Druckverbindung mit dem flüssigen Moderator des Reaktors steht. Es wird dadurch schon in der Isolierschicht eine Moderatorwirkung ausgeübt und so die Wirkung des flüssigen Moderators des Reaktors unterstützt.
Es kann dann für das Fluid in der Isolierschicht und für das die Wärme entnehmende Druckwasser das gleiche mit schwerem Wasser angereicherte Wasser wie für den flüssigen Moderator des Reaktors dienen.
Es kann die Isolierschicht durch Stulpen gebildet sein, die mit ihrer obern engeren Öffnung auf eine die Druckwasserschicht aussen begrenzende Rohrwandung untereinander aufgereiht sind und an ihrer untern weiteren Öffnung gegenüber dem darunterfolgenden Stulpen einen Spalt freilassen, welcher die Druck verbindung mit dem umgebenden flüssigen Moderator des Reaktors herstellt, wie weiter unten noch näher beschrieben.
An Hand einer schematischen Zeichnung sollen noch Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Reaktors beschrieben werden.
In der Zeichnung zeigt: Fig. 1 im Vertikalschnitt Teile eines Reaktors mit flüssigem Isolierstoff, Fig. 2 im Vertikalschnitt Teile eines Reaktors mit gasförmigem Isolierstoff, Fig. 3 und 4 Beispiele für eine Isolierschicht mit Mitteln, durch welche Konvektionsströmungen eines flüssigen Isolierstoffes behindert werden.
In Fig. 1 sind zwecks klarer Darstellung von den vielen Heizelementen des Reaktors nur zwei gezeichnet. Das Heizelement besteht im wesentlichen aus dem Spaltstoff in Form eines zylindrischen Stabes 1 aus mit Uran 235 angereichertem Uran 238, der mit einer ihn vom Druckwasser trennenden, schützenden Hülle verkleidet ist, der Druckwasserschicht 2, die den Stab 1 in Richtung der Pfeile umströmt und die in seinem Spaltstoff erzeugte Wärme entnimmt, und der hohl- zylinderförmigen Isolierschicht 3, welche den flüssigen Moderator 4, der die Heizelemente umgibt, gegen die heisse Druckwasserschicht 2 wärmeisoliert.
Das am Stab 1 erhitzte Druckwasser wird mittels der Umlauf pumpe 5 im Kreislauf durch die Rohrleitung 6, den Wärmeaustauscher 7, ein Ausdehnungsgefäss 8 und durch die die genannte Umlaufpumpe 5 enthaltende Rohrleitung 9 zurück zur Druckwasserschicht 2 des Heizelements geführt. Mittels des Ventils 10 am Ausdehnungsgefäss 8 wird das eben beschriebene Um laufsystem unter einen Druck gesetzt, der so hoch ist, dass er für die gewählte Temperatur in der Rohrleitung 6, also für die gewählte Eingangstemperatur des Wärmeaustauschers 7, eine Dampfbildung in der Druckwasserschicht 2 des Heizelements verhütet. Dieser Druck kann unter Umständen mehr als 40 kg/cm2 betragen.
Im Wärmeaustauscher 7 überträgt das Druckwasser einen Teil seiner Wärme auf einen weiteren Wärmeträger, der dieselbe durch die Rohr leitung 11 ihrer Nutzung zuführt. Die Isolierschicht 3 ist durch dünne rohrförmige Wände 12 und 13 um schlossen und steht durch die Öffnung 14 in Druck verbindung mit dem flüssigen Moderator 4, der seiner seits mittels der Rohrleitung 15 in Druckverbindung mit dem durch die Druckwasserschicht 2 und die Teile 6, 7, 8, 5 und 9 umlaufenden Druckwasser steht und der in den druckfesten Behälter 16, 17 einge schlossen ist.
Das Druckwasser in der Druckwasserschicht 2, das Vluid in der Isolierschicht 3 und der flüssige Moderator 4 bestehen aus dem gleichen, und zwar einem mit schwerem Wasser angereicherten Wasser und stehen zufolge der Druckverbindungen 14 und 15 unter dem gleichen Druck. In die Isolierschicht ist körniger Kohlenstoff eingefüllt, welcher Konvektions- strömungen des in ihr enthaltenen Fluids zu Gunsten der Isolierwirkung behindert und welcher ausserdem mit als Moderator wirksam ist.
In Fig. 2 tritt anstelle der mit flüssigem Isolierstoff gefüllten Isolierschicht 3 eine mit gasförmigem Isolier stoff gefüllte Isolierschicht 18, welche über ein das Eindringen von Flüssigkeit verhütendes Gasreservoir 19 sowie die Rohrleitungen 20 und 21 mit dem Mo derator 4 in Druckverbindung steht. Wird bei Inbe triebnahme des Reaktors das Druckwasser unter vollen Druck gesetzt, so steigt im Gasreservoir 19 der Flüssigkeitsspiegel vom Niveau 22 auf das Niveau 23 an. Etwaige Gasverluste können während des Betriebes durch das Ventil 24 hindurch ersetzt werden. Auch in die Isolierschicht 18 ist, wie schon für die Isolierschicht 3 der Fig. 1 beschrieben, körniger Kohlenstoff ein gefüllt.
Ausser diesem in den vorstehenden Ausführungs beispielen erwähnten Einfüllen körnigen Kohlenstoffes seien als weitere Ausführungsbeispiele für Mittel zur Behinderung von Konvektionsströmungen in der Iso lierschicht noch genannt das Einfüllen von geknitterten Metallfolien, von Fasern, von porösen und/oder kör nigen Stoffen, das Anordnen von Zwischenwänden konzentrisch zur Achse der Isolierschicht.
Und schliess lich zeigen als weitere Ausführungsbeispiele Fig. 3 und Fig. 4 Stulpen 25 bzw. 26, die auf der Aussenwand 27 der Druckwasserschicht 2 des senkrecht angeordneten Heizelements untereinander aufgereiht sind, unten je einen ringförmigen Spalt 28 freilassen und so aus sich selbst die in Druckverbindung mit dem umgebenden Moderator 4 stehende Isolierschicht bilden, die aus relativ kleinen und daher die Konvektion behindernden Teilräumen besteht.
Die Stulpen 26 in Fig. 2 sind gestuft und bilden daher eine Isolierschicht, die aus zwei Lagen von Teilräumen besteht.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf dieses Ausführungsbeispiel. So können insbesondere auch andere Anordnungen, andere Moderatoren und andere Spaltstoffe als die hier genannten verwendet werden.
Heterogeneous atomic nuclear reactor The invention relates to a heterogeneous atomic nuclear reactor, from which the heat generated in the fissile material is removed by a pressurized water layer surrounding the fissile material and surrounded by the moderator at a high water pressure that at least retards steam formation.
In reactors of this type, it is advantageous to extract the heat at a high temperature. However, high temperature causes high pressure of the pressurized water, which takes the heat from the heating elements of the reactor, so that uncontrollable steam formation does not occur in the pressurized water layers. High pressure, in turn, requires a great wall thickness of the walls delimiting the pressurized water layer to the outside against the moderator and therefore, since these walls have to be penetrated by the neutrons, great losses of neutrons. Furthermore, as a result of the high temperatures of the pressurized water layer, the moderator is also significantly heated and thereby loses part of its property of braking neutrons, especially when a liquid moderator is used.
To counter these difficulties, it is proposed according to the invention that a liquid moderator, which is at least approximately under the pressure of the pressurized water, be used and that the moderator is thermally insulated from the pressurized water layer by means of an insulating layer. This ensures that the walls delimiting the pressurized water layer to the outside are no longer exposed to a one-sided pressure, but rather a bilateral one, i.e. only a small wall thickness, whereby the losses of neutrons are reduced. In addition, this ensures that the temperature of the moderator remains low as a result of the insulating layer.
Only as a result is the use of a liquid moderator facilitated, which in turn makes it possible, as mentioned, to exert approximately the same liquid pressure from the outside on the wall bordering the pressurized water layer to the outside as is prevailing inside it and - with which the Circle closes - enables. as already mentioned, the wall thickness is small and so the neutron loss is kept small.
Both the pressurized water removing the heat and the liquid moderator can consist of the same water enriched with heavy water.
This has the advantage that the pressurized water and the moderator can then be brought into pressure connection directly with one another, so that their pressures automatically equalize.
It is advantageous if the heat-insulating material of the insulating layer is also under at least approximately the same pressure as the pressurized water and the moderator.
The heat-insulating material can directly delimit the pressurized water from the moderator and thus receive the same pressure immediately. Since the heat-insulating material then receives the same pressure from inside and outside, it may e.g. be designed as a relatively thin-walled ceramic tube without the risk of the high pressure damaging the tube.
However, the insulating layer can also have relatively thin and flexible walls, which enclose the heat-insulating material between them and delimit it on the one hand from the pressurized water and on the other hand from the moderator and, by being supported on the heat-insulating material, also the pressure of the pressurized water and notify the moderator. This has the advantage that a z. B. granular, dry substance can be used, whereby the tightly enclosing walls are based on it, as mentioned, therefore, despite the high pressure, as mentioned, may be thin and therefore cause only insignificant losses of neurons.
The heat insulating material of the insulating layer can be carbon. Since it is not very strong, it is only the invention that enables it to be used safely despite the high pressures of the pressurized water and so in particular to make use of its properties below: that it catches only a few neutrons, that it already acts as a moderator and that, under the action of the radiation prevailing inside the reactor, it automatically strives towards its amorphous state, in which its insulating effect is optimum.
The insulating layer can be relatively thin walls that delimit the heat-insulating material on the one hand against the pressurized water and on the other hand against the moderator, a fluid serving as the heat-insulating material.
In the insulating layer, means can be provided by which convection flows of the fluid are hindered. Examples of such means are to be described below with reference to the drawing.
The fluid can be a gas and via a gas reservoir that prevents liquid from penetrating into the insulating layer is in pressure connection with the liquid moderator, the gas being air, but also e.g. B. a gaseous moderator can be selected, which then already exerts a moderator effect in the insulating layer and thus supports the effect of the liquid moderator of the reactor.
The fluid can also serve as a moderator liquid which is in pressure connection with the liquid moderator of the reactor. This already exerts a moderator effect in the insulating layer and thus supports the effect of the liquid moderator of the reactor.
The same water enriched with heavy water as for the liquid moderator of the reactor can then be used for the fluid in the insulating layer and for the pressurized water extracting the heat.
The insulating layer can be formed by cuffs, which are lined up with their upper narrower opening on a pipe wall delimiting the outside of the pressurized water layer and leave a gap at their lower opening opposite the cuff below, which the pressure connection with the surrounding liquid moderator of the reactor as described in more detail below.
Exemplary embodiments of the reactor according to the invention are also to be described using a schematic drawing.
The drawing shows: Fig. 1 in vertical section parts of a reactor with liquid insulating material, Fig. 2 in vertical section parts of a reactor with gaseous insulating material, Figs. 3 and 4 examples of an insulating layer with means by which convection flows of a liquid insulating material are hindered.
In Fig. 1, only two of the many heating elements of the reactor are drawn for the sake of clarity. The heating element consists essentially of the fissile material in the form of a cylindrical rod 1 made of uranium 238 enriched with uranium 235, which is covered with a protective cover separating it from the pressurized water, the pressurized water layer 2, which flows around the rod 1 in the direction of the arrows and which removes heat generated in its fissile material, and from the hollow cylindrical insulating layer 3, which thermally insulates the liquid moderator 4, which surrounds the heating elements, from the hot pressurized water layer 2.
The pressurized water heated on the rod 1 is circulated by means of the circulation pump 5 through the pipe 6, the heat exchanger 7, an expansion vessel 8 and through the pipe 9 containing said circulation pump 5 back to the pressurized water layer 2 of the heating element. By means of the valve 10 on the expansion vessel 8, the circulation system just described is placed under a pressure that is so high that it creates a vapor formation in the pressurized water layer 2 of the for the selected temperature in the pipe 6, i.e. for the selected inlet temperature of the heat exchanger 7 Heating element prevented. This pressure can possibly be more than 40 kg / cm2.
In the heat exchanger 7, the pressurized water transfers part of its heat to another heat carrier, which feeds the same through the pipe 11 of its use. The insulating layer 3 is closed by thin tubular walls 12 and 13 and is through the opening 14 in pressure connection with the liquid moderator 4, which in turn by means of the pipeline 15 in pressure connection with the through the pressurized water layer 2 and the parts 6, 7, 8, 5 and 9 circulating pressurized water is and is in the pressure-tight container 16, 17 is closed.
The pressurized water in the pressurized water layer 2, the vluid in the insulating layer 3 and the liquid moderator 4 consist of the same, namely a water enriched with heavy water and are under the same pressure due to the pressure connections 14 and 15. Granular carbon is filled into the insulating layer, which hinders convection currents of the fluid contained in it in favor of the insulating effect and which also acts as a moderator.
In Fig. 2, instead of the insulating layer 3 filled with liquid insulating material, an insulating layer 18 filled with gaseous insulating material occurs, which is in pressure connection via a gas reservoir 19 and the pipes 20 and 21 with the Mo derator 4 via a gas reservoir which prevents the ingress of liquid. If the pressurized water is put under full pressure when the reactor is put into operation, the liquid level in the gas reservoir 19 rises from level 22 to level 23. Any gas losses can be replaced through the valve 24 during operation. As already described for the insulating layer 3 of FIG. 1, granular carbon is also filled into the insulating layer 18.
In addition to this filling of granular carbon mentioned in the preceding embodiment examples, the filling of wrinkled metal foils, fibers, porous and / or granular materials, and the arrangement of partition walls concentrically should also be mentioned as further embodiments of means for preventing convection currents in the insulating layer to the axis of the insulating layer.
And finally Lich show as further embodiments Fig. 3 and Fig. 4 cuffs 25 and 26, which are lined up on the outer wall 27 of the pressurized water layer 2 of the vertically arranged heating element, each leave an annular gap 28 at the bottom and so the in Form pressure connection with the surrounding moderator 4 standing insulating layer, which consists of relatively small and therefore the convection hindering sub-spaces.
The cuffs 26 in FIG. 2 are stepped and therefore form an insulating layer which consists of two layers of partial spaces.
The invention is not restricted to this exemplary embodiment. In particular, other arrangements, other moderators and other fissile materials than those mentioned here can also be used.