CZ36658U1 - Zařízení na získávání energie z použitého paliva varných jaderných reaktorů - Google Patents

Description

Zařízení na získávání energie z použitého paliva varných jaderných reaktorů

Oblast techniky

Technické řešení se týká získávání tepelné energie z jaderného paliva, které před tím bylo použito ve varných jaderných reaktorech.

Dosavadní stav techniky

Jaderné palivo, které bylo použito ve varných jaderných reaktorech (tzv. typ reaktoru BWR), je dnes nejprve skladováno v bazénech vyhořelého paliva (ve všech zemích). Posléze je toto palivo skladováno v meziskladech jaderného paliva před tím, než bude uloženo do trvalého úložiště vyhořelého jaderného paliva (aplikuje např. Finsko, Švédsko). Tento proces je mnohaletý a velmi finančně, administrativně a bezpečnostně náročný. V některých zemích (např. Japonsko) může být vyhořelé palivo varných jaderných reaktorů přepracováno v přepracovacím závodě na nový typ jaderného paliva. Přepracovací závody jsou mimořádně nákladné i náročné na výstavbu, jejich provoz i nové palivo je tak drahé.

Ve stavu techniky jsou známa řešení opětovného využití paliva, například kanadský spis CA 2246064 AI zveřejňuje řešení, kdy jsou palivové články, které byly použity ve varných jaderných reaktorech, rozebrány na jednotlivé palivové proutky, následně jsou vytvořeny nové palivové články s novou geometrií palivového článku, kdy jsou využity (smíchány) palivové proutky nové a použité (z palivových článků, které byly použity ve varných jaderných reaktorech). Následně jsou v těžkovodním reaktoru tyto nové palivové články použity jako palivo. Tento reaktor pak pracuje na stejné nebo vyšší teplotě než původní reaktor BWR. Nevýhodou tohoto řešení je nutnost rozebírání palivového článku, která má za následek značné zvýšení pracnosti a nákladů.

Dále je ve stavu techniky známo řešení popsané v mezinárodní přihlášce WO 2009150710 AI, kdy jsou palivové články přepracovány chemickou separací uranu. Následně jsou pak tyto články využity v těžkovodním reaktoru. Nevýhodou tohoto řešení je chemického zpracování palivových článků, které má za následek značné zvýšení pracnosti a nákladů.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nevýhody využití jaderného paliva, které před tím bylo použito ve varných jaderných reaktorech, odstraňuje zařízení na získávání energie z použitého paliva varných jaderných reaktorů.

Dnes komerčně skladované použité palivové články (ať už v bazénech či v meziskladech) se v zařízení na získávání energie z použitého paliva varných jaderných reaktorů použijí za použití specifických materiálů a fyzikálních parametrů k produkci tepla, které je pak komerčně využito.

Toto palivo se použije ve stejné formě palivových článků jako bylo použito ve varném jaderném reaktoru, rozmístěné ve čtvercové palivové mříži s kapalným D2O moderátorem a kapalným chladivém. Jako chladivo těchto palivových článků a moderátor se v zařízení na získávání energie z použitého paliva varných jaderných reaktorů použijí materiály s menším mikroskopickým absorpčním účinným průřezem pro pohlcení neutronů, než je tomu u varných jaderných reaktorů. Palivo se použije v zařízení na získávání energie z použitého paliva varných jaderných reaktorů za nižších teplot sloučenin uranu a s nižším tlakem chladivá než u varných jaderných reaktorů, čímž dojde k uvolnění reaktivity z již použitého paliva. Některé palivové články budou od sebe více vzdáleny než u varného jaderného reaktoru, čímž také dojde k uvolnění reaktivity.

-1 CZ 36658 UI

Zařízení na získávání energie z použitého paliva varných jaderných reaktorů je pak zařízení, kde probíhá řízená štěpná jaderná reakce uranu a plutonia za uvolnění tepla. Toto teplo je odváděno chladivém do tepelného výměníku, kde je pak následně komerčně využito. V zařízení na získávání energie z použitého paliva varných jaderných reaktorů probíhá též tvorba lichých izotopů plutonia ve větší míře než u varných jaderných reaktorů a tím se zvyšuje reaktivita paliva. Zařízení na získávání energie z použitého paliva varných jaderných reaktorů umožňuje kampaňový provoz i u paliva, které je ve varných jaderných reaktorech už nepoužitelné, lze však provozovat i s čerstvým palivem.

Podstatou tohoto technického řešení je zařízení na získávání energie z použitého paliva varných jaderných reaktorů, kde mikroskopický účinný průřez pro absorpci neutronů je u použitého moderátoru minimálně o 5 % menší než u moderátoru ve varných jaderných reaktorech.

S výhodou je v zařízení na získávání energie z použitého paliva varných jaderných reaktorů nej vyšší teplota uvnitř paliva minimálně o 160 °C nižší než nej vyšší přípustná teplota uvnitř paliva v reaktoru, kde bylo palivo použito primárně.

S výhodou je v zařízení na získávání energie z použitého paliva varných jaderných reaktorů nejvyšší tlak chladivá ve všech provozních režimech menší než 6,5 MPa.

S výhodou je rozteč mezi některými palivovými články minimálně o 2 mm větší než u reaktoru, pro které bylo palivo původně vyrobeno.

Příklady uskutečnění technického řešení

Předmětem předloženého technického řešení je zařízení na získávání energie z použitého paliva varných j ademých reaktorů, j ademý reaktor s tepelnými neutrony, o výkonu 50-100 MWt na ohřev chladivá o atmosférickém tlaku z 40 °C na 134 °C.

V předloženém řešení je kupříkladu zvoleno organické chladivo HB-40 pro 144 palivových článků předem použitých ve varném jaderném reaktoru elektrárny Forsmark. Tyto palivové články jsou rovnoměrně rozmístěny ve čtvercovém uspořádání v nerezové stíněné válcové nádobě o průměru 5m a výšce 7 m. Použité chladivo a též použitý D2O moderátor a reflektor je při daných parametrech z fyzikálního hlediska lepší než parovodní směs u varných jaderných reaktorů. Zařízení na získávání energie z použitého paliva varných jaderných reaktorů se řídí změnou výšky hladiny moderátoru či reflektoru či standardními řídícími tyčemi (např. s bórem) a s daným vyhořelým palivem může být na daném výkonu provozováno minimálně 9 měsíců. Ohřáté teplé chladivo je vyvedeno a v tepelném výměníku mimo zařízení na získávání energie z použitého paliva varných jaderných reaktorů chlazeno na vstupní studenou teplotu. V prvních měsících provozu se vlivem měkčího neutronového spektra více (v porovnání s varnými jadernými reaktory) vytvářejí liché izotopy plutonia a reaktivita paliva v zařízení na získávání energie z použitého paliva varných jaderných reaktorů stoupá. Další vnos reaktivity způsobuje výrazně nižší teplota paliva uvnitř palivových článků v porovnání s varnými jadernými reaktory.

Průmyslová využitelnost

Výše uvedené technické řešení „Zařízení na získávání energie z použitého paliva varných jaderných reaktorů“ může být využito pro většinu z desetitisíců dnes skladovaných palivových článků použitých ve varných jaderných reaktorech za poslední půlstoletí. Zejména se toto řešení dá použít u varných jaderných reaktorů, kde palivo nedosáhlo maximálního povoleného vyhoření. Toto řešení přispívá k lepšímu využití paliva a lepší ekonomice. Zařízení na získávání energie z použitého paliva varných jaderných reaktorů lze použít i s neozářeným palivem.

Claims (2)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení na získávání energie z použitého paliva varných jaderných reaktorů, zahrnující palivovou mříž, moderátor a nádobu, přičemž mikroskopický účinný průřez pro absorpci neutronů 5 je u moderátoru minimálně o 5 % menší než u moderátoru ve varných jaderných reaktorech vyznačující se tím, že dále zahrnuje palivo ve stejné formě jako palivové články použité ve varném jaderném reaktoru.
2. 2. Zařízení na získávání energie z použitého paliva varných jaderných reaktorů podle nároku 1, vyznačující se tím, že rozteč mezi některými palivovými články je minimálně o 2 mm větší než u ίο reaktoru, pro které bylo palivo původně vyrobeno.