Verfahren zum Betrieb eines schnellen Brutreaktors und Brutreaktor zur Ausführung des Verfahrens Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines schnellen Brutreaktors, in dessen Kern spaltbares Material angeordnet ist, das mit Neutronen reagiert, deren Energie im wesentlichen oberhalb des thermischen Energiebereiches liegt. Die Erfindung umfasst auch einen schnellen Brutreaktor zur Ausführung: des Verfahrens.
Es ist bekannt, eine Kettenreaktion in einem thermonuklearen Reaktor dadurch variabel zu mode rieren und zu steuern, dass ein Wasserstoff enthalten der Dampf von hohem Druck und hoher Temperatur hiezu verwendet wird, z. B. Dampf im überkritischen Zustand. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist, dieses Verfahren auf einen schnellen Brutreaktor an zuwenden.
Kernreaktoren werden als thermische oder schnelle Reaktoren klassifiziert, je nach :der durch schnittlichen Geschwindigkeit der primär bei der Spalt-Kettenreaktion verwendeten Neutronen. Im allgemeinen bezeichnet man Reaktoren mit einer durchschnittlichen kinetischen Energie der Neutro nen grösser als<B>10000</B> eV als schnelle Reaktoren, während man Reaktoren mit einer kinetischen Ener gie der Neutronen unter 1 eV als thermische Reakto ren bezeichnet.
Es ist bekannt, dass ein. schneller Reaktor deshalb wünschenswerter ist, weil in ihm das brütbare Material durch Bestrahlung mit einem höheren Wirkungsgrad in. spaltbares Material umge wandelt wird als bei thermischen Reaktoren. Bei einem thermischen Reaktor ist nur eine kleinere Menge solcher Umwandlungen möglich, weshalb der Konversionsgrad relativ niedrig liegt. Der Verwen dung schneller Reaktoren stellte sich jedoch die Schwierigkeit in den Weg, dass diese nur schwer steuerbar sind und aus Sicherheitsgründen eine rela tiv kurze Kernlebensdauer besitzen.
Die Sicherheits- erwägungen schlossen auch den Umstand mit ein, dass keine Kontrollstab-Materialien verfügbar waren, um die überschüssigen schnellen Neutronen zu ab sorbieren und die. Lebensdauer des Kernes erheblich zu verlängern.
Die Steuerung schneller Reaktoren nach den bis her üblichen Methoden bediente sich immer umfang reicher Steuersysteme, wie z. B. verschiebbarer Reflektoren, beweglicher Kontrollstäbe oder bewegli cher Brennstoffelemente, um die gewünschte Ände rung der Reaktivität zu erreichen.
Diese beweglichen Teile im Inneren des Reaktorkernes vergrössern den Umfang und die Kosten ,der Reaktoranlage. Ausser- dem verursachen sie im Reaktorkern unerwünschte Belastungsspitzen, welche zum Teil abhängig sind von den Änderungen des Brennstoffmaterials im Reaktor oder von den Giften der Kontrollstäbe im Kern.
Es ist bekannt, dass solche Belastungsspitzen wegen der daraus resultierenden Temperaturspitzen und der Spitzen des Wärmeflusses im Kern uner wünscht sind, weshalb man bisher Reaktoren dieser Art so auslegen musste, dass die höchste Temperatur der Brennstoffauskleidung im Kern innerhalb der Sicherheitsgrenzen lag, was die mittlere Temperatur und Energiedichte im Kern herabsetzte. Es ist weiter bekannt, dass die durchschnittliche Temperatur und der Wärmefluss eines Reaktorkernes erhöht werden können, ohne die Sicherheitsgrenzen zu überschrei ten, wenn man solche Belastungsspitzen vermindert.
Die Folge davon ist eine Erhöhung der Endtempera- tur des Kühlmittels und oder eine Erhöhung der ab gegebenen Energie bei .derselben Endtemperatur.
Bisher hielt man es für unmöglich, bei schnellen Reaktoren andere Kühlmittel als flüssige Metalle zu verwenden. Zu diesem Schluss gelangte man deshalb, weil andere Flüssigkeiten entweder zu grosse Mode- rationsfähigkeit besitzen und zu viele Neutronen ab sorbieren, oder nicht genügend.gute Kühlmittel sind, um aus der Votumseinheit des Kernes eine Energie abzutransportieren, die für einen ökonomischen Be trieb ausreicht.
Deshalb benützte man beiden bisher üblichen schnellen Reaktoren flüssige Metalle mit verhältnismässig geringem Moderationseffekt im Reaktorkern als Kühlmittel, wie z.
B. flüssiges Natrium. Man erreichte damit einen gewissen Erfolg, musste sich aber mit einer Reihe von Problemen be schäftigen, u. a. damit, ein Lecken der Kühlung im Reaktorsystem- mit Sicherheit hintanzuhalten. Aus- serdem ergab sich bei der Verwendung von flüssigem Natrium die Notwendigkeit, einen Zwischenkühlkreis anzuordnen, der die Wärme des Reaktors auf den in den Turbogeneratoren arbeitenden Dampf übertrug.
Dieser Zwischenkühlkreis musste sichern, dass bei irgendeiner möglichen Leckstelle im Natriumkreis- lauf keine Reaktion zwischen dem Natrium und dem Wasser eintreten konnte. Das üblichste Material in solchen Zwischenkreisläufen war eine eutektische Natrium-Kalium-Legierung (NaK). Die Anordnung eines Zwischenkreislaufes erhöht natürlich die Kosten und den Umfang der ganzen Anlage.
Bei der Verwendung von Natrium als Kühlmittel stellt sich nur ein geringer oder überhaupt kein Ein- fluss der Kühlmitteltemperatur auf die Reaktivität des Reaktors ein.
Mit anderen Worten, es gibt nor malerweise keinen erheblichen negativen Reaktivi- tätskoeffizienten in Abhängigkeit von der Kühlmit- teldichte. In solchen Fällen zeigt der Reaktor geringe Bereitschaft, sich der Belastung anzupassen oder die Belastungsspitzen in jenen Kernbereichen abzubauen, in denen die Temperatur des Kühlmittels über dem Normalwert liegt.
Es wurde nun gefunden, dass man ein einphasiges Moderatorfluidum, welches mit einer erheblichen Dichteänderung auf Änderung des Wärmeinhaltes reagiert, sowohl zum Kühlen wie auch zum Steuern eines schnellen Reaktors verwenden kann.
Das erfin- dungsgemässe Verfahren besteht demnach darin, dass der Reaktor durch Einführen eines einphasigen Flui dums, das imstande ist, mit wesentlichen Dichteände- rungen auf Änderungen seines.
Wärmeinhaltes. zu reagieren, kritisch gemacht wird, die Moderation durch Atome von Wasserstoffisotopen bewirkt wird, und die Reaktivität durch Änderung der Konzentra tion der Wasserstoffisotope im Kern gesteuert wird, um das Neutronenspektrum im Kern und das Entwei chen von Neutronen aus dem Kern, zu verändern. Das dadurch geschaffene System ist stabil, reguliert sich selbst und ergibt eine Brutrate sowie eine Kern lebensdauer, ,die bei so einfachen Steuerungen bisher nicht erreichbar waren.
Wenn man als Moderator fluidum H20 oder D20 Dampf bzw. eine Mischung dieser beiden verwendet, kann man die Reaktivität durch Änderung des Neutronenspektrums im Kern steuern.
Dadurch wiederum ändert sich das Verhält nis der Kernspaltungen zur Anzahl der Neutronen, .die im brutbaren Material des Kernces eingefangen werden, die mittlere Energie der Spaltungen bewir- kenden Neutronen und der aus dem Kern entwei chende Neutronenanteil. Diese Effekte können erzielt werden durch Änderung der Konzentration, des Moderatorfluidums im Kern und/oder durch Ände rung des Mischungsverhältnisses der Fluida mit ver schiedenem Moderationsgrad. Wenn man bei einem solchen System Dampf verwendet,
kann es durch Verdünnung des H20-Dampfes mit D20-Dampf und/ oder durch Änderung der Dichte des Dampfes im Kern, indem man den Dampfdruck und/oder die Temperatur ändert, gesteuert werden. Beim Betrieb eines solchen Systems tendiert der Reaktor dahin, sich selbst zu regulieren, indem er auf eine Bela- stungssteigerung mit einer Leistungssteigerung und auf eine Belastungsabnahme mit einer Leistungsab nahme reagiert.
Ausserdem kann das Brüten von spaltbarem Material aus brutbarem Material, das in; der Umge bung des Kernes .diesen abschirmend angeordnet ist, durch Anwendung des erfindungsgemässen Verfah rens gefördert werden, weil eine parasitäre Absorp tion der Neutronen durch vergiftende Steuermateria lien und/oder eine Steuerung durch Verändern der geometrischen Verhältnisse ,der Abschirmung elimi niert sind.
Ein, Ausführungsbeispiel der Erfindung ist an hand eines Brutreaktors zur Ausführung des Verfah rens in der Zeichnung schematisch dargestellt. In die ser zeigt Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform eines Brutreaktors nach der vorliegenden Erfindung und Fig.2 ein Diagramm des Neutronenflusses in Abhängigkeit von der Neutronenenergie.
In Fig. 1 ist 10 der Reaktor, der mit einem ent sprechendem .druckdichten Gehäuse 12 umgeben ist. Das Gehäuse 12 besitzt die Form eines länglichen Zylinders und ist an seinen beiden Enden abge schlossen. Einer dieser Verschlüsse, 16, ist lösbar an Flanschen 18 angesetzt.
Ein Kern 20 des schnellen Reaktors, der spaltba res und brutbares Material enthält, ist im Inneren des Druckbehälters angeordnet. Der Kern kann in jeder beliebigen bekannten Weise ausgebildet und ange ordnet sein, wenn nur für gute Wärmeübertragungs- eigenschaften gesorgt ist, wie noch weiter unten aus führlicher beschrieben werden wird. Die Aussenflä che .des Kernes 20 ist mit einem Mantel 22 aus brot barem Material umgeben. Rund um den Kern und den Mantel ist ein Neutronenreflektor 24 gelegt.
Die ser Reflektor kann auch am Boden und an der Decke .des Reaktors angebracht sein (nicht dargestellt). Ein- lassöffnungen 26 für das Kühlmittel sind am unteren Ende 14 des Reaktorgefässes angeordnet und stehen mit .der Mantelzone in direkter Verbindung.
Umlenk- bleche 28 für das Kühlmittel können am anderen Ende des Reaktorkernes angebracht sein, um den Kühlmittelstrom durch .den Kern zurück und zur Ausströmöffnung 30 zu lenken, welche ebenfalls am unteren Ende des Druckgefässes angeordnet ist.
Das Kühlmittel strömt sodann durch die Abflussleitung 32 zum Wärmeaustauscher 34, in welchem es einen Teil seiner Wärme durch indirekte Wärmeübertra gung auf ein sekundäres Kühlmittel abgibt, das in einer Dampfturbine oder in anderer Weise Arbeit leistet. Das Kühlmittel wird sodann durch die Leitung 36 mittels einer Pumpe 38 zurückgefördert.
Der Kern ist aus einer Anzahl von Brennstoffele menten (nicht dargestellt) bekannter Art zusammen gesetzt, welche als Brennstoff U235, pulss, U233 oder eine Mischung dieser Elemente enthalten, wel che unter ,dem Einfluss schneller Neutronen spaltbar sind. Diese Brennstoffe werden im Normalfall mit einem brutbaren Material, wie U238 oder Th232, vermischt,
welches die überschüssigen Neutronen unter Bildung von Pu239 oder U233 absorbieren kann. Wie bekannt müssen diese Brennstoffelemente mit einer kritischen Masse spaltbaren Materials aus gestattet sein, um eine Kettenreaktion von Spaltpro zessen in Gang zu halten. Der Reflektor 24 rund um den Kern besteht aus einem Neutronen reflektieren den Material, wie Nickel oder rostfreiem Stahl, und dient dazu, die aus dem Kern entweichenden Neutro nen zu reduzieren und sie in den Kern zurückzulen ken, damit sie dort die Kettenreaktion und die Um wandlung von brutbarem Material in Kernbrennstoff verstärken.
Obwohl der Kernmantel für die Funktion des Reaktors nicht wesentlich ist, ist er doch in jenen Fällen empfehlenswert, in denen eine hohe Brüt- Ausbeute erzielt werden soll. Dieser Mantel enthält anfangs brutbares Material, in dem ,die Konzentration von spaltbarem Material nur gering zu sein braucht, was z. B. bei bereits verbrauchtem oder natürlichem Uran der Fall ist.
Wenn der Mantel während der Arbeit des Reaktors bestrahlt wird, wandelt sich das brutbare Material in spaltbares Material um, wobei ein Teil dieses spaltbaren Materials bereits gespalten wird und zur vom Reaktor abgegebenen Leistung einen Beitrag liefert. Bei Benützung eines solchen Mantels können, Konversionsgrade (Brutfaktoren) über 1,3 erreicht werden, wenn man entweder U'33-Th232 oder Pu239-U"8 Zyklen verwendet.
Das Reaktorkühlsystem enthält eine Zuflusslei- tung 40 mit einem Durchflussmengenmesser 42, wel che zur Ansaugöffnug einer Pumpe 38 führt. Weiter ist eine Abgabeleitung 44 im Kühlsystem vorgesehen, welche ebenfalls einen Durchflussmesser 46 enthält und an die Leitung 32 angeschlossen ist. Die Mess- einrichtungen können von jeder bekannten Art sein, z. B.
Messventile oder Verdrängungspumpen. Die primäre Forderung, die an solche Messeinrichtungen zu stellen ist, ist die, dass sie imstande sein müssen, eine genau abgemessene Kühlmittelmenge in den Reaktorkreislauf einzuführen oder aus diesem zu ent- nehmen, damit die Reaktivität in der später noch zu beschreibenden Weise gesteuert werden kann.
Eine Absaugleitung 48 mit einem Aussbrömventil 50 kann am oberen Ende des Reaktors angebracht sein. Dieses Ausströmventil kann entweder automa tisch wirken oder selektiv bedienbar sein, je nach den jeweiligen Erfordernissen. Es dient dazu, das Kühl mittel aus dem Reaktor in einen Behälter mit niedri gem Druck gelangen zu lassen.
Die Volumina des Kühlmittels im Reaktorkern und im Kreislauf sind so aufeinander abgestimmt, dass ein Teil des Kühlmittels aus dem Reaktorkern in andere Teile des Systems hinüberwechselt, wenn die Enthalpie des Kühlmittels und der Druck im Kühl mittelsystem ansteigen. Diese Massnahme ist notwen dig, um eine hinreichende Stabilität des Reaktors zu jeder Zeit zu erreichen.
Am Anfang, wenn sich kein Kühlmittel im Reaktorkern befindet, kann keine Spalt-Kettenreaktion stattfinden, weil das Energie spektrum der Neutronen so hoch ist, dass genügend Neutronen aus dem Kern nach aussen entweichen, um den Vermehrungsfaktor K unter dem Wert 1 zu halten. Beim Einführen eines Kühlmittels mit Neu tronen moderierenden Eigenschaften wird die durch schnittliche Energie der Neutronen im Reaktorkern reduziert, weil die Bremsung zunimmt. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit eines Entweichens von Neu tronen und die durchschnittliche Energie der Neutro nen herabgesetzt, so dass Spaltungen entstehen kön nen.
Beim Zusetzen von Moderator erreicht der Ver mehrungsfaktor den Wert 1 und lässt den Kern kri tisch werden. Daraus resultiert eine sich selbst aufrechterhaltende Spalt-Kettenreaktion. Es wäre zu bemerken, dass durch die hier beschriebenen Mass- nahmen zwar der kritische Zustand erreicht wird, dass jedoch das Ausmass der Moderierung nicht so weit getrieben wird, bis die durchschnittliche Neutro nengeschwindigkeit dem epithermischen oder thermi schen Bereich erreicht.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, ein ein ziges Bremsmittel sowohl zur Steuerung als auch zur Kühlung eines schnellen Brutreaktors zu benützen. Dieses Bremsmittel ist ein einphasige Wasserstoffiso tope enthaltendes Fluidum, welches eine wesentliche Dichteänderung bei Änderung der Enthalpie oder Änderung des Wärmeinhaltes erleidet. Dadurch wird der Reaktor gesteuert, indem das Neutronenspektrum in den Kern- und Mantelzonen geändert wird.
Dies wiederum verändert das Verhältnis der Kernspaltun gen zu den Neutronenabsorptionen im brutbaren Material des Kernes, die durchschnittliche Energie der Spaltungen hervorrufenden Neutronen und die Menge der aus dem Kern entweichenden Neutronen. Diese Steuerung kann noch durch eine Änderung der Wasserstoffisotopenkonzentration und/oder durch eine Änderung der relativen Anteile in einer Mischung von Wasserstoffisotopen im Reaktorkern ergänzt werden. Eine solche Änderung .der Wasser- stoffisotopenkonzentration kann z.
B. durch Verdün nen des Bremsmittels mit einem inerten Gas oder durch Änderung der Dichte des Wasserstoffisotope enthaltenden Bremsmittels im Kern erreicht werden.
Ein einphasiges Fluidum, das mit einer wesentli chen Dichteänderung auf Änderungen des Wärmein- haltes reagiert, kann z. B. durch Wasser nahe oder über dem kritischen Druck und der kritischen Tem peratur gebildet werden oder von überhitztem und überkritischem Dampf.
Die Bezeichnung Wasserstoff isotope enthaltendes Fluidum schliesst leichtes und schweres Wasser (H20 und D20), dampfförmige Kohlenwasserstoffe, freien Wasserstoff sowie Kombi nationen dieser Medien untereinander oder Mischun gen dieser Medien mit verträglichen. Gasen ein. Von diesen Medien dürften variierende Mischungen von leichtem und schwerem Wasser; vorzugsweise in der Form von überkritischem Dampf, am günstigsten als Kühl- und Steuermittel eines schnellen Reaktors zu verwenden sein.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird ein schneller Brutreaktor durch Einführen von Dampf unter hohem Druck und hoher Temperatur in den Reaktorkern. kühlend gesteuert, wobei der Reak torkern für sich infolge .der Abgabe von überschüssi gen Neutronen ,aus den Randbereichen des Kernes nicht imstande ist, eine Kettenreaktion aufrechtzuer halten. Beim Einführen von Dampf der gewünschten Dichte und des erforderlichen H20/D20-Verhält- nisses, z.
B. 0,093 g/cm3 und 85 Gewichtsprozent D20 zu 15 % H20; wird ein solches Neutronenener- giespektrum im Reaktorkern erzeugt, dass der kriti sche Zustand erreicht wird.
Durch Veränderung der Dampfdichte und Änderung des D20/H20-Verhält- nisses im Dampf innerhalb des Reaktorkernes ist es möglich, die Energieabgabe des Reaktors zu steuern, und auch die überschüssige Brennstoffmenge im Reaktorkern zu kompensieren, welche am Anfang der Lebensdauer eines Kernes dort vorhanden ist, um eine hinreichende,
Lebensdauer zu sichern. Auch die Kompensation der sich bildenden Brennstoff- und Spaltproduktgifte ist auf diese Weise möglich. Es wird dadurch erreicht, dass eine relativ geringe Neu tronenmoderation erforderlich ist, um den Reaktor kritisch zu machen, wenn er im Anfangsstadium mit einer relativ hohen Menge spaltbaren Materials und einer entsprechend geringen Menge von Neutronen- giften in Betrieb gesetzt wird.
Es kann deshalb D20-Dampf mit einem Druck von etwa 246 at, einer Temperatur von etwa 482 C und einem Gehalt von etwa 20 Volumsprozent H20 sowohl als Kühl- als auch als Steuermittel in der Anfangsperiode des Reaktors verwendet werden.
Dieser Dampf kann in den Reaktorkern mit etwa 400 C und 246 at einge führt werden.. und wird den Reaktor mit ungefähr 580 C und 239 at verlassen, wobei er eine mittlere Dichte von etwa 0,11 g/cm3 besitzt. Beim Betrieb des Reaktors wird die im Kern enthaltene Brennstoff menge abnehmen, wenn das Konversionsverhältnis des Kernes kleiner als 1 ist.
Dieser Umstand macht in Verbindung mit der Wirkung der Spaltproduktgifte eine Zunahme der Dichte des Kühlmittels im Reaktor notwendig, bzw. eine Vergrösserung des Verhältnis ses H20/1320 im Kühldampf.
Mit anderen Worten, die Steuerung des Reaktors wird durch Zugabe oder Entnahme von Kühlmittel (kurzzeitige Reaktivitäts- effekte) und durch Änderung des Verhältnisses H20/1320 zur Trimmsteuerung (langzeitige Reaktivi- tätseffekte) bewirkt.
Eine Analyse der Wirkungsweise des vorliegen den Reaktors zeigt, dass die Verwendung eines Ge misches eines einphasigen Fluidums, weiches einer wesentlichen Dichteänderung bei Änderung des Wär meinhaltes unterworfen ist, den Reaktor selbstregu lierend macht, wobei er dazu neigt, allen Belastungs schwankungen automatisch zu folgen.
Dadurch wird die Notwendigkeit von veränderbaren Kontrollstäben oder Steuerbrennstoffelementen im Reaktorkern ver- ringert.
Beim Anfahren wird der Reaktor mit den zuge hörigen Systemen auf die Gleichgewichts-Arbeits- temperatur gebracht, indem man ihm von einer nicht dargestellten Wärmequelle Wärme zuführt.
Eine Mischung von D20- und H20 Dampf wird während der Anwärmperiode durch das Reaktorsystem bei niedrigen, Druck hindurchgeleitet. Sobald dieArbeits- temperatur erreicht ist, wird zusätzlicher D20/H20- Dampf in den Reaktorkreislauf eingeleitet, bis das darin enthaltene Kühlmittel eine Dichte erreicht hat, die den Reaktor kritisch macht und eine sich selbst erhaltende Spalt-Kettenreaktion gewährleistet,
welche auf einem Gleichgewichtsniveau mit niedriger Lei stungsabgabe :abläuft. Sodann wird nochmals zusätz licher. Dampf in den Reaktorkreislauf eingeleitet, wodurch sich die Dampfdichte und die Reaktivität des Reaktors weiter erhöhen.
Es wird also die Lei stungsabgabe des Reaktors auf das normale Arbeits niveau durch Erhöhung der Dichte im Kühlmittel dampf des Reaktorkreislaufs angehoben.. Sobald der Reaktor auf normalem Leistungsniveau arbeitet, neigt er dazu, sich selbst zu regulieren. Es nimmt dann bei einer Belastungssteigerung die Temperatur des Kühlmittels, welches den Wärmeaustauscher 34 über die Leitung 36 verlässt, ab,
so dass das Kühl mittel in den Reaktorkern mit einer niedrigeren Tem peratur eintritt. Als Folge davon nimmt die Dampf dichte zu. Dies wiederum bewirkt ein Ansteigen der Reaktorleistung, so dass sich die Arbeitstemperatur von selbst auf einen konstanten Wert einstellen wird, wenn die im System fliessende Menge an die System belastung angepasst wird.
Umgekehrt nimmt bei einer Belastungsabnahme die Temperatur des Kühlmittels hinter dem Wärmeaustauscher 34 zu, was eine er höhte Eintrittstemperatur des Kühlmittels am Reak toreingang zur Folge hat. Daraus wiederum folgt eine Dichteabnahme des Kühlmittels. Bei einer solchen Dichteabnahme des Kühlmittels nimmt die Leistung des Reaktors ab, bis ein neues niedrigeres Gleichge wichtsniveau in der Leistungsabgabe erreicht ist.
Wie im vorigen Fall werden auch in .diesem Fall die Tem peraturen und Drücke des Kühlmittels erhalten blei ben, wenn die durchfliessende Menge proportional reduziert wird.
Während Belastungsänderungen er fordert eine genaue Kontrolle der Temperaturen und Drücke eine Änderung des gesamten Kühlmittelin halten, wogegen Änderungen des Verhältnisses 1320/H20 unterschiedliche Reaktivitätskoeffizienten kompensieren und eine Einstellung eines mittleren Temperaturdifferentials an den Wärmeaustauschern bewirken, so dass an der Turbinendüse konstant blei bende Dampfzustände aufrechterhalten werden.
Um die Steuerkapazität des Kühldampfes wäh rend der ganzen Lebenszeit des Reaktors an Ände- rungen im Gesamtbrennstoffgehalt und Änderungen der Spaltproduktgifte anpassen zu können, wird leichtes Wasser (H20) in den Kreislauf mittels der Messvorrichtung 42 durch die Leitung 40 eingeführt. Zur gleichen Zeit wird eine äquivalente Kühlmittel- menge aus dem System mittels der Messeinrichtung 46 durch die Leitung 44 abgezogen.
Auf diese Weise bleibt die gesamte Kühlmittelmenge im Reaktorsy stem gleich, während die Moderationskapazität des Kühlmittels wegen des höheren Bremsvermögens von Wasserstoff gegenüber Deuterium vergrössert wird. Anderseits ist darauf zu achten., dass eine gewisse Menge von Kühlmittel bei gleichbleibendem H20/ D20 Verhältnis aus dem Reaktor entnommen oder diesem zugeführt wird, falls nur eine Änderung der Gesamtkühhnittelmenge gewünscht wird.
Wenn der Reaktor abgeschaltet werden soll, wird die entsprechende Kühlmittelmenge mit Hilfe der Messvorrichtung 46 abgezogen, bis die Reaktivi- tät auf dem Nullpunktniveau unter den Wert Eins abfällt. Dies schaltet den Reaktor ab, worauf die Flüssigkeit noch in Umlauf gehalten wird, um irgend welche schädliche Wärme, !die im Reaktorkern ent steht, abzuleiten.
Sollte irgendein Notfall ein plötzliches Abschalten oder einen Schnellschluss des. Reaktors erfordern, wird das Ventil 50 geöffnet, welches das Reaktor kühlmittel in einen Behälter mit niedrigem Druck entweichen lässt, wodurch sich die Konzentration von Wasserstoffisotopen im Kern sofort auf einen Wert erniedrigt, bei dem die Kettenreaktion nicht aufrecht erhalten werden kann.
Diese Arbeitsweise ist beim erfindungsgemässen Reaktor deshalb möglich, weil sich das Kühlmittel bei den in Betracht kommenden Temperatur- und Druckverhältnissen entweder in flüssigem oder dampfförmigem Zustand befindet, so dass sich signifikante Dichteänderungen des Kühl- mittels bei nur kleinen Druckänderungen einstellen.
Eine solche Steuerung ist nicht möglich bei Reakto ren, bei denen ein flüssiges. Kühlmittel Verwendung findet, das auf erhebliche Temperatur und/oder Druckänderungen nur mit kleinen Dichteänderungen reagiert.
Bei einem Druckwasserreaktor bewirkt die Änderung :des Kühimitteldruckes, die sich aus dem Öffnen eines Ausströmventils ergibt, keine hinrei chend grosse Dichteänderung des Kühlmittels, um eine wirksame Steuerung von der hier beschriebenen Axt und Grösse zu gewährleisten.
Eine solche Steue rung ist auch bei Siedewasser-Reaktoren nicht mög lich, weil die Druckänderung, die auf das öffnen eines Ventiles folgt, die Dichte .der Moderatorflüssigkeit nicht hinreichend absenkt, sondern nur eine gewisse Menge der darin enthaltenen siedenden Flüssigkeit plötzlich in Dampfzustand übergehen lässt, wobei aber die im Kern zurückbleibende Flüssigkeit zum Oderieren und zum Aufrechterhalten der Kettenreak tion ausreicht.
Wenn man das erfindungsgemässe Verfahren anwendet, kann man günstigere Leistungsquer schnitte im Reaktorkern erreichen. Sollten Störungen in irgendeinem Teil des Kernes die Reaktivität an steigen lassen, so steigt in jenem Teil auch die Tem peratur des Kühlmittels an.
Dadurch nimmt seine Dichte ab und verringert dabei die Energiedichte in jenem Kernbereich. Zusätzlich wird,dadurch, dass die durchschnittliche Dichte des in den Reaktor eintre tenden Kühlmittels infolge seiner niedrigeren An fangstemperatur höher ist, die Leistungskurve des Kernes gegen den Eingang hin verschoben, wo wegen des höheren Temperaturunterschiedes zwischen Brennstoffelementen und Kühlmittel eine höhere Wärmeabfuhr möglich ist.
Die Reaktivitätssteuerung kann deutlicher aus der Fig. 2 entnommen werden, in welcher der Neutro- nenfluss als Funktion der Neutronenenergie darge stellt ist. Das Neutronenspektrum, das aus der Ver wendung von schwerem Wasser resultiert, ist durch die Kurve 52 dargestellt. Daraus ist zu erkennen, dass fast alle Neutronen im schnellen Energiebereich liegen.
Die Kurve 54 zeigt, dass bei einem Reaktor, der leichtes Wasser als Kühlmittel verwendet, .die Mehrzahl der Neutronen im schnellen Energiebereich liegt, dass, aber auch eine erhebliche Menge im mitt leren und im thermischen Energiebereich liegt. Dem- gemäss werden bei der Verdünnung des schweren Wassers mit leichtem Wasser, variierende Mengen von Neutronen in den mittleren und thermischen Be reich gesteuert.
Je mehr Neutronen in den mittleren und thermischen Bereich hinunter abgebremst wer den, umso mehr steigt .das Verhältnis der Spaltungen zu .den Absorptionen im brütbaren Material an.
Da bei wächst auch die Reaktivität, wie es zum fortlau fenden Betrieb nötig ist. Somit ist ersichtlich, dass bei einer Änderung .des Neutronenenergiespektrums ent weder durch Zusatz von: Dampf aus leichtem Wasser oder durch Erhöhung der Dampfdichte des Kühlmit tels mehr mittlere und thermische Spaltungen statt finden. Auf diese Weise erhöht sich entweder die Leistungsabgabe oder wird die Trimmsteuerung, die während der Lebensdauer des.
Reaktorkernes not wendig ist, ermöglicht. Ausserdem wird,das Entwei chen von Neutronen aus :dem Kern. verringert, weil die Wahrscheinlichkeit des Entweichens für Neutro nen mit niedrigerer Energie geringer ist als für schnel lere Neutronen.
Es ist anzunehmen, dass durch Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens eines Brutreaktors, die durch diese Methode mögliche starke Verringe rung überschüssiger Reaktivität und der hohe Kon- versionsgrad des brütbaren Materials in spaltbares Material einen zusätzlichen Gewinn von Brennstoff bestrahlungen gestattet, der durchschnittlich 100 000 MWD/Tonne übersteigt.
Um die Erhaltung des Reaktors, z. B. das Be- schicken und Entleeren durchführen zu können, ohne die Vorteile einer Abschaltung durch ein Flüssig keitsschild aufzugeben, können Kontrollstäbe im Reaktorkern eingeschlossen. sein. Diese Kontrollstäbe sind dann so anzuordnen, dass sie in den Reaktor kern während: des Erhaltungsprogramms zur Gänze eingesetzt und. aus diesem während des Normalbe triebes zur Gänze herausgezogen sind.
Dieser be- schränkte Gebrauch von Kontrollstäben wird infolge der Reak tivitätssteuerung durch die Änderung der Dichte des Kühlmittels selbst möglich. Auf diese Weise werden die Kontrollstäbe nur dazu benötigt, das Kritischwerden des Reaktors während der Erhal tungsarbeiten zu verhindern, wenn der Kern mit einer Neutronen moderierenden Flüssigkeit gefüllt ist.
Die folgende Tabelle I zeigt gewisse Details der Dimensionierung eines erfindungsgemässen Reak tors:
EMI0006.0025
<I>Tabelle <SEP> 1</I>
<tb> Reaktorleistung <SEP> 2325 <SEP> MW <SEP> Wärme
<tb> Abgegebene <SEP> Leistung <SEP> 100 <SEP> MW(e) <SEP> (o=43 <SEP> %)
<tb> Druck <SEP> an <SEP> der <SEP> Turbinendrossel <SEP> 168 <SEP> at
<tb> Temperatur <SEP> der <SEP> Turbinendrossel <SEP> 538 C
<tb> Aufheiztemperatur <SEP> desi <SEP> Dampfes <SEP> <B>5380C</B>
<tb> U-233 <SEP> Menge <SEP> (am <SEP> Anfang) <SEP> 2490 <SEP> kg
<tb> Thorium-232 <SEP> Menge <SEP> (am <SEP> Anfang) <SEP> 22 <SEP> 400 <SEP> kg
<tb> Brennstoffanreicherung <SEP> (am <SEP> Anfang)
<SEP> <B>10-0/0</B>
<tb> Reaktorkühlmittel <SEP> Dampf
<tb> Durchflussmenge <SEP> des <SEP> Kühlmittels <SEP> <B>10,66.</B> <SEP> 100 <SEP> kg/h
<tb> Temperatur <SEP> am <SEP> Reaktoreingang <SEP> 400 C
<tb> Druck <SEP> am <SEP> Reaktoreingang <SEP> 246 <SEP> at
<tb> Temperatur <SEP> am <SEP> Reaktorausgang <SEP> 580 C
<tb> Druck <SEP> am <SEP> Reaktorausgang <SEP> 239 <SEP> at
<tb> Dampfdichte <SEP> am <SEP> Eingang <SEP> 0,153 <SEP> g/cmP
<tb> Dampfdichte <SEP> am <SEP> Ausgang <SEP> 0,070 <SEP> g/cms
<tb> D20-Gehalt <SEP> des <SEP> Kühlmittels:
<tb> am <SEP> Anfang <SEP> der <SEP> Kernlebensdauer <SEP> 7011/o
<tb> am <SEP> Ende <SEP> der <SEP> Kernlebensdauer <SEP> <B>301/o</B>
<tb> Spezifische <SEP> Leistungsabgabe <SEP> 0,401 <SEP> MW(e)/kg <SEP> <B>U-23</B> <SEP> 3
<tb> Lebensdauer <SEP> des <SEP> Kernes <SEP> (minimal) <SEP> 400 <SEP> Tage
<tb> Durchschnittliche <SEP> Brennstoffbestrahlung <SEP> 37,320 <SEP> MWD/tonne <SEP> U02
<tb> Gesamt-Konversionsgrad <SEP> am <SEP> Anfang <SEP> 1,
27
<tb> Vom <SEP> Kühlmittel <SEP> absorbierte <SEP> Wärme
<tb> zu <SEP> Beginn <SEP> der <SEP> Kernlebensdauer
<tb> im <SEP> Kern <SEP> <B>950/0</B>
<tb> in <SEP> der <SEP> Hülle <SEP> 5 <SEP> 0/0
<tb> Vom <SEP> Kühlmittel <SEP> absorbierte <SEP> Wärme
<tb> am <SEP> Ende <SEP> der <SEP> Kernlebensdauer
<tb> im <SEP> Kern <SEP> 85 <SEP> 0/0
<tb> in <SEP> der <SEP> Hülle <SEP> 15 <SEP> 0/0
<tb> Auskleidung <SEP> der <SEP> Brennstoffstifte
<tb> Rostfreier <SEP> Stahl <SEP> Type <SEP> 316
<tb> Wärme <SEP> übertragende <SEP> Fläche <SEP> des <SEP> Kernes <SEP> 2,66 <SEP> m2
<tb> Durchschnittlicher <SEP> Wärmefluss <SEP> ixn <SEP> Kern <SEP> 71,500 <SEP> kcal/m@ <SEP> h
<tb> Wärmeflussspitze <SEP> 169,226 <SEP> kcal/m,2 <SEP> h
<tb> Verhältnis <SEP> SpitzenwertiMittelwert <SEP> der <SEP> Leistung <SEP> 2,55
<tb> Anzahl <SEP> der <SEP> Brennstoffstifte <SEP> 78,
115
<tb> Innendurchmesser <SEP> des <SEP> Druckgefässes <SEP> 3,81 <SEP> m
<tb> Kerndurchmesser <SEP> 1,83 <SEP> m
<tb> Kernhöhe <SEP> 2,13 <SEP> m
<tb> Dicke <SEP> des <SEP> Schirmes <SEP> an <SEP> der <SEP> Seite <SEP> 0,44 <SEP> m
<tb> Dicke <SEP> des <SEP> Schirmes <SEP> oben <SEP> und <SEP> unten <SEP> 0,44 <SEP> m
<tb> Abstand <SEP> der <SEP> Brennstoffstifte <SEP> im <SEP> Kern
<tb> (Dreiecksehe) <SEP> 0,635 <SEP> cm
<tb> Aussendurchmesser <SEP> der <SEP> Brennstoffstifte
<tb> im <SEP> Kern <SEP> <B><I>01,51 <SEP> cm</I></B>
<tb> Innendurchmesser <SEP> der <SEP> Brennstoffstifte
<tb> im.
<SEP> Kern <SEP> 0!,47 <SEP> cm
EMI0007.0001
<I>Tabelle <SEP> 1 <SEP> (Fortsetzung)</I>
<tb> Wandstärke <SEP> der <SEP> Brennstoffstift-Auskleidung <SEP> 0,203 <SEP> mm
<tb> Dicke <SEP> des <SEP> seitlichen <SEP> Reflektors <SEP> 7,62 <SEP> cm
<tb> Äquivalente <SEP> Dicke <SEP> des <SEP> Reflektors
<tb> oben. <SEP> und <SEP> unten <SEP> 7,62 <SEP> cm
<tb> Raflektormaterial:
<SEP> Rostfreier <SEP> Stahl <SEP> Type <SEP> 304
EMI0007.0002
<I>Volumenantelle</I>
<tb> Material <SEP> Kern <SEP> Seiten- <SEP> Oberer <SEP> Unterer
<tb> <U>schirm <SEP> Schirm <SEP> Sc</U>hir<U>m</U>
<tb> U02 <SEP> Th02 <SEP> 0,491 <SEP> - <SEP> - <SEP> Th02 <SEP> - <SEP> 0,65<B>1</B> <SEP> 0,491 <SEP> 0,491
<tb> Auskleidung
<tb> (SS-304) <SEP> 0,094 <SEP> 0,101 <SEP> 0,094 <SEP> 0,094
<tb> <U>Dampf <SEP> 0,415 <SEP> 0,248 <SEP> 0,415 <SEP> 0,415</U>
<tb> 1,00000 <SEP> 1,00000 <SEP> 1,00000 <SEP> 1,00000 Die Überlegenheit des beschriebenen Reaktors resultiert daraus, dass Hochdruckdampf sowohl für die Kühlung als auch für die Steuerung verwendet wird.
Ausserdem gestattet die Verwendung von Dampf oberhalb des kritischen Zustandes die Ent wicklung einer gedrängteren Bauweise des Reaktor kernes, wodurch eine höhere Leistungsabgabe pro Volumeneinheit des Kernes erzielt wird und Druck- gefässe der üblichen Grösse verwendbar sind.
Eine kontrollierte Änderung der Dampfdichte und des D20/H20 Verhältnisses während der Lebensdauer des Kernes bewirkt eine wirksame Steuerung der Reaktivität. Weiter ist noch zu erwähnen, dass die entfernbaren Kontrollstäbe auch durch ein System volumetrischer Pumpen und Ventile ersetzt werden können,
deren Empfindlichkeit für eine genaue Regelung im Sinne der obigen Darstellung ausreicht, um gesteuerte Reaktivitätsänderungen durch Ände rung der Gesamtmenge des im Reaktor enthaltenen Dampfes .und des D20/H20 Verhältnisses zu errei chen.
Die Maximaltemperatur an der Oberfläche der Auskleidung ist bei einem solchen Reaktor unge wöhnlich niedrig und zwar infolge des Fehlens der Kontrollstäbe, sowie infolge der flachen radialen Lei- stungskennlinie und der gekrümmten axialen Lei- stungskennUnie,
bei welcher die Leistungsspitzen ein geeignetes Ausmass im kalten Ende des Kernes errei- chen. Diese Leistungskennlinien in Verbindung mit einem hohen Wirkungsgrad des Reaktorsystems und den ausgezeichneten thermischen Eigenschaften des Kühlmittels gestatten eine hohe Energiedichte, wie oben erläutert worden ist.
Der beschriebene Reaktor ist auch sogenannten schnellen Reaktoren alter Art, die flüssiges Natrium als Kühlmittel benützen, überlegen, weil wegen des höheren Temperaturbereiches eine etwa gleich grosse oder sogar grössere Wärmetransportkapazität er reichbar ist, wenn man überkritischen Dampf statt flüssigem Natrium als Kühlmittel verwendet. Wenn z. B. die Temperaturen am Reaktor-Ein- bzw. -Aus gang 377 C bzw. 580 C betragen, kann der Dampf im überkritischen Zustand 5,7 mal soviel Wärme transportieren wie flüssiges Natrium bei gleicher auf gewendeter Pumpenleistung.
Weil ausserdem Deuterium mit einer Dichte von weniger als 0,128 g/cml die Neutronen nicht so stark streut wie Natrium, ist ein schnelleres. Neutronen spektrum zulässig. Dieses wiederum ermöglicht die Benützung des Puls" - Utas Zyklus.
Infolge der Verwendung eines mittleren und schnellen Neutronenspektrums kann rostfreier Stahl als Baumaterial innerhalb des Reaktorkernes erwen- det werden, ohne einen übermässigen Neutronenver lust zu bewirken. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Mehrzahl der Resonanzneutronen-Absorp- tionsquerschnitte von rostfreiem Stahl unter der durchschnittlichen Energie der im Kern, vorhandenen Neutronen liegen.