DE1764478B2 - Reaktorkern fuer einen atomkernreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktorkern für einen Atomkernreaktor, welcher durch ein Kühlmittel mit Moderatoreigenschaft gekühlt wird und eine Anzahl von frei vom Kühlmittel umspülten Brennstäben enthält, die in einem bestimmten Abstand voneinander parallel zueinander angeordnet sind, wobei im Querschnitt durch den Reaktorkern die Brennstäbe in einer einzigen Gitterformation in Reihen auf Gitterlinien angeordnet sind, und wobei in regelmäßigen Abständen Brennstäbe fehlen.

Ein solcher Reaktorkern ist aus »Directory of Nuclear Reactors«, Bd. IV, 1962, S. 204 bekannt. Auf S. 3 bis 8 der gleichen Druckschrift wird ein 6s Reaktorkern beschrieben, der aus gitterförmig angeordneten Brennelementen aufgebaut ist, wobei die Brennstäbe in jedem Brennelement in einer Unter-Bitterformation angeordnet sind. Aus S. 228 der gleichen Druckschrift ist darüber hinaus eni Reaktorkern für einen Atomkernreaktor zu entnehmen, welcher durch ein Kühlmittel mit Moderatoreigenschaft gekühlt wird und eine Anzahl von frei vom Kühlmittel umspülten Brennstäben enthält, die in einem bestimmten Abstand voneinander parallel zueinander angeordnet sind, wobei im Querschnitt durch den Reaktorkern die Brennstäbe in einer einzigen Gitterformation in Reihen auf Gitterlinien angeordnet sind. Einige Gitterplätze sind bei diesem Reaktorkern nicht von Brennstäben besetzt. An diesen Gitterplätzen befinden sich Roiire, die einen größeren Außendurchmesser als die Brennstäbe aufweisen.

Diese bekannten Reaktorkerne haben den Nachteil daß entweder das Brennstoffmoderatorverhältnis im Querschnitt durch den Kern nicht konstant ist, was lokal·; Ntutronenflußspitzen und damit lokale I eistungsspitzen zur Folge hat, oder daß das Brcnnsiüfimoderatorverhältnis durch einen komplizierten Aufbau konstant gehalten wird. Es war bisher üblich. Leistungsspitzen dauurch zu verhindern, daß der Grad der Anreicherung des Brennstoffes und die Menge des Absorbermaterials sich über den Querschnitt des Reaktorkern-, auf eine bestimmte, vorne· berechnete Weise ändern. Ein solcher Aufbau de, Reaktorkerns erhöht die Herstellungskosten des Atomkernreaktors erheblich und macht eine aufwendige Betriebsorganisation für den Reaktor notwendig.

Fs ist daher die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, einen Reaktorkern der eingangs genannten Art zu entwickeln, der in seinem Aufbau einfach ist und eine im Querschnitt gleichmäßige Neutronenflußverteilung aufweist.

Dieses wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß sich in an sich bekannter We.se an allen oder an einem Teil der nicht von Brennstäben besetzten Gitterplätze Rohre befinden, daß diese Rohre den gleichen Außendurchmesser, wie die Brennstäbe aufweisen, und daß wenigstens einige dieser Rohre mit dem Kühlmittel gefüllt sind, das durch wenigstens eine Einlaßöffnung in diese Rohre einströmt und durch wenigstens eine Auslaßöffnung aus diesen Rohren ausströmt, wobei in diesen Rohren Hindernisse zur Begrenzung der durch die Rohre stromenden Kühlmittelmenge vorgesehen sind.

Dieser äußerst einfache Aufbau hat den Vorteil, daß das Brennstoffmoderatorverhältnis für alle Brennstäbe im Querschnitt durch den Reaktorkern gleich ist und dadurch für eine ausgeglichene Neutronenflußverteilung gesorgt ist. Um den im allgemeinen bei hohen Moderatorbrennstoffverhältnissen auftretenden Nachteil, daß die Zirkulation des Kühlmittels durch Pumpen aufrechterhalten werden muß, zu vermeiden, ist dafür gesorgt, daß das Kühlmittel kontinuierlich hauptsächlich um die Außenseite der im Reaktorkern angeordneten Rohre strömt. Zu diesem Zweck sind in den Rohren Hindernisse zur Begrenzung der durch die Rohre strömenden Kühlmittelmenge vorgesehen, so daß das Kühlmittel innerhalb dieser Rohre nur in einem begrenzten Ausmaß an der Gesamtzirkulation des Kühlmittels teilnimmt.

Vorzugsweise sind die Brennstäbe, wie es auch aus »Directory of Nuclear Reactors«, Bd. IV, 1962, S. 66 und 67, bekannt ist, in Gruppen unterteilt, von denen jede, in einen prismenförmigen Kasten eingesetzt, eine Gitterkomponente bildet, deren Wände

auf oder in der Nähe von nicht völlig besetzten Gitterlinien verlaufen, wobei das Volumenverhältuis von Spaltmaterial zu Moderatormaterial für die Zentralbrennstäbe ebenso groß oder größer ist als für die Randbrennstäbe der Gitterkomponenten.

Dadurch wird nicht nur erreicht, daß das Einsetzen der prismenförmigen Kästen zur Versetzung von nur wenige;. Spaltstäben führt, was zu einer Verbesserung der erzielbaren Leistungsdichte beiträgt, sondern auch daß die Randbrennstäbe der Gitterkomponenten keine unerwünschten Leistungsspitzen zeigen.

Die Wände der angrenzenden Gitterkomponenten können zwischen zwei vollbesetzten, äußeren Gitterlinien der Komponenten durch Vergrößern des Abstandes zwischen diesen angeordnet sein. Dadurch wird wine größere Freiheit beim Entwerfen des Reaktorkernaufbaus erhalten, ohne daß die genannten Vorteile verlorengehen.

Durch Hinleiten eines geeigneten Füllmittels in das Kühlmittel in den an den freien Gitter; !ätzen befindlichen Rohren oder durch unterschiedliche öffnungen in der >Vand der Rohre ist es gleichzeitig möglich, das Moderatorbrennstoffverhältnis auch in vertikaler Richtung so zu beeinflussen, daß auch in axialer Richtung ein Flußverlauf ohne Spitzen erhalten wird. Vorzugsweise ist wenigstens ein Teil der mit Kühlmittel gefüllten Rohre als Führungsrohre ausgebildet, von denen jedes einen Stab enthält, der in Längsrichtung verschiebbar angeordnet ist und aus einem Material besteht, das den örtlichen Neutronenfluß beeinflußt. Bei thermischen Reaktoren wird im allgemeinen eine Neutronen absorbierende Substanz als Material für die Stäbe verwandt, während bei schnellen Reahtoren spaltbares Material oder Brutmaterial verwandt wird. Ls Lt ebenfalls möglich, daß die Stäbe teilweise oder ganz aus Moderatormaierial bestehen.

Der erfindungsgemäße Aufbau des Reaktorkerns kann bei zahlreichen Atomkernreaktortypen unabhängig von der Art des verwandten Kühlmittels Anwendung finden. Er kann in Druckwasserreaktoren ebenso wie in mit Dampf gekühlten, schnellen Reaktoicn verwand' werden.

Im folgenden wird an Hand der Zeichnung eine beispielsweise, bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher erläut :rt.

F i g. 1 zeigt das Schema eines im Reaktorkern verwandten offenen Gitters, in dem die Lage der Wände einer Gitterkor.iponente angedeutet ist;

F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch die in F i g. 1 angedeutete Gitterkomponente;

F i g. 3 ist eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Reaktorkern;

F i g. 4 ist ein Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Gitterkomponente;

F i g, 5 zeigt einen senkrechten Schnitt durch zwei mit Kühlmittel gefüllte Rohre und durch ein Führungsrohr für einen Druckwasserreaktor;

F i g. 6 zeigt eine Änderung des in F i g. 3 dargestellten Reaktorkerns.

In Fig. 1 sind die Brennstäbe 1 in einer Gitterformation an Punkten angeordnet, an denen sich die Linien 2 und 3 mit den Linien 4,5,6 und 7 schneiden. Die Gitterlinien 2,5 und 7 sind an den auf einen Brennstab folgende:; Gitterplätzen unbesetzt. Aus diesem Gitter werden Brennstabgruppen innerhalb von Wänden 8 zu einer Gitterkomponente 9 zusammengefaßt. Die Wände verlaufen auf Gitterlinien, die ursprünglich unvollständig mit Brennstäben besetzt waren. Die Gitterkomponente weist einen hexagonalen Querschnitt mit den Eckpunkten 10 bis IS auf. An den Punkten 16 bis 26 sind die Rrennstäbe entfernt. Der Reaktorkern setzt sich aus diesen Gitterkomponenten zusammen.

In F i g. 2 ist ein Querschnitt durch Gitterkompunenten mit den Wänden 8, 28 und 29 dargestellt. Die Mehrzahl der freien Gitterplätze in F i g. 1 ist in diescm Falle von Rohren 30 besetzt. Die übrigen freien Gitterplätze nehmen Führungsrohre 31 ein, die den gleichen Außendurchmesser wie die Rohre 30 und die Brennstäbe haben. In diesen Führungsrohren sind St?be 57 angeordnet, die aus einer Neutronen absorbitrenden Substanz bestehen und in Längsrichtung verschoben werden können. Es ist möglich, ein anderes als das in F i g. 2 gezeigte Verhältnis zwischen der Anzahl der Rohre 30 und der Anzahl der Führungsrohre 31 zu verwenden. Es können beispielsweise in speziellen Fällen alle freien Giuerplätze in einer Gitterkomponente durch Rohre 30 besetzt sein. Es ist ebenso möglich, daß alle oder die meiven der freien Gitterplätze von Führungsrohren 31 eingenommen werden.

Fig. 3 stellt eine Draufsicht auf einen Reaktorkern 97 dar, die die Verteilung der Gitterkomponenten 9 über den Kern zeigt. In diesem Schema sind mit 91 diejenigen Gitterkomponenten bezeichnet, die keine Regelstäbe aufweisen. Die mit 9 bezeichneten Gitterkomponenten sind, wie in Fig.2 dargestellt, mit Regelstäben versehen. Dieses wird schematisch durch Kreise in den Gitterkomponenten angedeutet. In den Gitterkomponenten 91 sind alle Gitterplätze, an denen sich keine Brennstäbe befinden, vorzugsweise von mit Kühlmittel gefüllten Rohren besetzt.

F i g. 4 zeigt im Querschnitt eine Änderung einer Gitterkomponente, wie sie in Zusammenhang mit F i g. 2 beschrieben wurde. Innerhalb der Wand 8 einer Gitterkomponente 9 sind Brennstäbe 1 und Stäbe 57 aus einem Neutronen absorbierenden Material angeordnet. Diese Stäbe 57 sind in Längsrichtung verschiebbar und dienen somit als Regelstäbe. Das Gitter innerhalb der Gitterkomponente besteht aus sieh schneidenden Linien (nicht dargestellt). Die Wand muß nicht notwendigerweise auf einer unvollständig besetzten Gitterlinie angeordnet sein, sie kann vielmehr zwischen zwei voll besetzten Gitterlinien von aneinander angrenzenden Gitterkomponenten liegen, wobei der Abstand zwischen beiden vergrößen ist. Auf diese Weise befindet sich nahe der Wand mehr Kühlmittel, was eine geringe Leistungsspitze ergeben kann. Es ist jedoch möglich, die Abmessungen so zu wählen, daß diese Leistungsspitzen die zusätzliche Kühlkapazität der Randstäbe nicht übersteiger.. Es ist auch möglich, die Leistungsspitzen durch Einführen eines brennbaren Giftes in die Randstäbe herabzudrücken, was zur Folge hat, daß der Leistungsüberhöhungsfaktor in einer solchen Gitterkomponente niedriger ist als bei einer anderen Gitterkomponente mit Gift in den Randstäben.

An oder nahe an den Eckpunkten 58 sind einige Regelstäbe weggelassen, um eine Leistungsverteilung mit einem zu hohen Leistungsfaktor an diesen Stellen zu vermeiden.

F i g. 5 zeigt in einem senkrechten Schnitt zwei Rohre 30, zwischen denen sich ein Führungsrohr 31 befindet. Mit 64 und 65 sind Abschlußgitter bezeichnet, die nicht nur als Träger für die Rohre 30, son-

dern auch für die Führungsrohre 31 dienen. Jedes dieser Gitter weist durchgehende öffnungen 66 und 67 auf, damit das Kühlmittel durch den Reaktorkern strömen kann. Wie aus den obigen Ausführungen hervorgeht, bewegt sich der Hauptteil des Kühlmittels nach oben durch die Durchlässe 68, die zwischen den Rohren freigelassen sind.

Ein Teil des Kühlmittels kann jedoch durch Einlaßöffnungen 69 in das Innere 70 der Rohre 30 eindringen. Wenn die Rohre mit weiteren öffnungen 71 versehen sind, können die unteren öffnungen 69 weggelassen werden, solange die unterste öffnung der öffnungen 71 ausreichend nahe am unteren Rand der Rohre 30 liegt. Das erwärmte Kühlmittel kann am Oberteil durch die Auslaßöffnung 72 wieder aus dem Rohr herausströmen.

Abgesehen davon, daß ein Rohr 30 während des Betriebs mit einem moderierenden Kühlmittel gefüllt werden kann, ist es auch möglich, Rohre zu verwenden, die im Inneren mit einer festen Moderatorzusammensetzung gefüllt sind. Rohre dieser Art, die mit 63 bezeichnet sind, weisen im Inneren eine Moderatorzusammensetzung 73 auf, die — obgleich nicht dargestellt — aus Neutronen absorbierenden Stäben oder Tabletten, z.B. aus einem brennbaren Gift, bestehen kann, wobei die Moderatorzusammensetzung durch abwechselndes Übereinanderschichten dieser Stäbe öder Tabletten so abgestimmt ist, daß die größtmögliche Neutronenflußglättung in vertikaler Richtung erreicht wird. Das gleiche Ergebnis wird erhalten, wenn, wie bei dem Rohr 30 dargestellt, zwei Gruppen von öffnungen 71 und 74 in der Seitenwand in der Weise vorgesehen sind, daß die Materialkonzentration der Rohrwand an zwei Stellen längs des Rohres ein Minimum erreicht.

Die Verteilung der Materialdichte der Rohrwand kann wiederum dadurch beeinflußt werden, daß die öffnungen größer oder kleiner gemacht werden, oder

ίο daß sie näher aneinander oder weiter auseinander liegen. Derartige Maßnahmen können auch bei den Führungsrohren vorgenommen werden. Das Führungsrohr 57 weist an zwei Stellen Führungsteile 93, 94 auf, die glatt sitzend in dem Führungsrohr ver-

schiebbar sind. Sie können mit schmalen Schlitzen 95, 96 versehen sein, durch die das Kühlmittel strömen kann. Beispielsweise können im Falle eines Druckwasserreaktors diese Schlitze die Ansammlung von Dampfblasen unter den Führungsteilen verhin-

ao dern, was sonst zu einer lokalen Überhitzung führen würde.

F i g. 6 zeigt in einer Draufsicht eine Änderung des in F i g. 3 dargestellten Reaktorkems. Bei dieser Darstellung ist jede Gitterkomponente 9 mit Regelstäben

versehen, wie sie in F i g. 2 gezeigt sind. Lediglich die halben Gitterkomponenten 91 des Reaktorkems 140 weisen keine Regelstäbe auf. Durch Kreise ist wiederum angedeutet, daß sich in den jeweiligen Giiierkomponenten Regelstäbe befinden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Reaktorkern für einen Atomreaktor, welcher durch ein Kühlmittel mit Moderatoreigen- S schaft gekühlt wird und eine Anzahl von frei vom Kühlmittel umspülten Brennstäben enthält, die in einem bestimmten Abstand voneinander parallel zueinander angeordnet sind, wobei im Querschnitt durch den Reaktorkern die Brennstäbe in einer einzigen Gitterformation in Reihen auf Gitterlinien angeordnet sind und wobei in regelmäßigen Abständen Brennstäbe fehlen, dadurch gekennzeichnet, daß sich in an sich bekannter Weise an allen oder an einem Teil der nicht von Brennstäben besetzten Gitterplätzen Rohre (30) befinden, daß diese Rohre (30) den gleichen A"'tendurchmesser wie die Breiinstäbe aufweisen, und daß wenigstens einige dieser Rohre (30) mit dem Kühlmittel gefüllt sind, das ao durch wenigstens eine Einlaßöffnung (69, 71) in diese Rohre einströmt, und durch wenigstens t.ne Auslaßöffnung (72) aus diesen Rohren ausströmt, wobei in diesen Rohren Hindernisse zur Begrenzung der durch die Rohre strönenden Kühlmittelmenge vorgesehen sind.

2. Reaktorkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstäbe in Gruppen (9) unterteilt sine, von denen jede, in einen prismenförmigen Kasten (8) e^;ngeset- eine Gitterkomponente bildet, deren Wände (8, 29) auf oder in der Nähe von nicht völlig besr tzten Gitterlinien (14-15, 15-10, 10-11, 12-13, 13-14) verlaufen, wobei das Volumenverhälti is von Spaltmaterial zu Moderatormaterial für die Zentralbrennstäbe ebenso groß oder größer ist als für die Randbrennstäbe der Gitterkomponenten.

3. Reaktorkern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der mit Kühlmittel gefüllten Rohre als Führungsrohre (31) ausgebildet sind, von denen jedes einen Stab (57) enthält, der in Längsrichtung verschiebbar angeordnet ist und aus einem Material besteht, das den örtlichen Neutronenfluß beeinflußt.

4. Reaktorkern nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Eckpunkt der Gitterkomponenten (8) mit einem Brennstab (1) besetzt ist.

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