DE1121239B

DE1121239B - Thermischer Atomkernreaktor

Info

Publication number: DE1121239B
Application number: DEA31503A
Authority: DE
Inventors: Philip Robert Tunnicliffe
Original assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Current assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Priority date: 1958-03-05
Filing date: 1959-03-04
Publication date: 1962-01-04
Also published as: US3086929A; FR1217437A; CH354866A; SE305032B; GB857318A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

A 31503 VIII c/21g

ANMELDETAG: 4. MÄRZ 1959

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 4. J A N U A R 1962

Die Erfindung bezieht sich auf thermische Atomkernreaktoren, deren Reaktorkern aus natürlichen Brennstoffen, z. B. natürlichem Uran, oder schwach angereicherten natürlichen Brennstoffen besteht. Zu diesen werden beispielsweise auch die Thorium-U-233-Brennstoffe gerechnet, deren Gehalt an U 233 in der Größenordnung von 1 °/o liegt.

Die Vergiftung von thermischen Atomkernreaktoren durch Spaltprodukte oder sekundäre Nuklide, die durch Zerfall von Spaltprodukten entstehen, ist ein allgemein bekanntes Phänomen. Das wichtigste Gift ist Xenon 135, welches bei dem Zerfall des direkten Spaltproduktes Tellur 135 gebildet wird:

T_ei35

1 Min.

6,7 Std.

_Xel35

9,2Std.^

Xenon 135 besitzt einen Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen von ungefähr 3,5 ■ 10^e barn. Dieser Wert ist viel größer als bei irgendeinem anderen der erzeugten Gifte.

Wenn sich der Reaktor in Betrieb befindet, hält sich die Konzentration von Xenon 135 in dem Reaktor auf einem Gleichgewichtswert; das Nuklid wird konstant gebildet, jedoch auch konstant entfernt, und zwar hauptsächlich auf Grund der Umwandlung in Xenon 136 durch Absorption thermischer Neutronen, in geringerem Umfang auch auf Grund natürlichen Zerfalls. Der Reaktor muß einen genügenden Mehrbetrag über die bei Abwesenheit von vergiftendem Xenon 135 erforderliche Reaktivität besitzen, um die thermischen Neutronen zu liefern, welche zur Aufrechterhaltung dieses Gleichgewichtswertes verbraucht werden. Der Brennstoffverbrauch ist dementsprechend größer, als er ohne das Auftreten einer Xenon-135-Vergiftung wäre, und die von dem Reaktor gelieferte Energie wird entsprechend teurer. Da aber die Xenon-135-Vergiftung nicht verhindert werden kann, muß diese Verschlechterung der Wirtschaftlichkeit getragen werden.

Die Erfindung betrifft eine andere Seite der Xenon-135-Vergiftung, nämlich die Vergiftung, die beim Abschalten eines Reaktors auftritt. Nach der Abschaltung hört die Entfernung von Xenon 135 durch Absorption thermischer Neutronen auf. Das Jod 135 welches bereits aus dem direkten Spaltprodukt Tellur 135 entstanden ist, zerfällt weiter und bildet noch mehr Xenon 135. Da die Geschwindigkeit der Entfernung von Xenon 135 geringer geworden ist, steigt die Konzentration an Xenon 135 an, bis sie ein Maximum erreicht. Nach Erreichung dieses Maximums, bei dem die Bildungsgeschwindigkeit von Xenon 135 aus Jod 135 gleich der Abnahmegeschwindigkeit von Xenon 135 durch dessen Zerfall in Zäsium 135 ist, Thermischer Atomkernreaktor

Anmelder:

Atomic Energy of Canada Limited,
Ottawa, Ontario (Kanada)

Vertreter: Dr. W. Müller-Bore

und Dipl.-Ing. H. Gralfs, Patentanwälte,

Braunschweig, Am Bürgerpark 8

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 5. März 1958 (Nr. 719 413)

Philip Robert Tunnicliffe, Deep River, Ontario

(Kanada),
ist als Erfinder genannt worden

fällt die Xenon-135-Konzentration allmählich wieder ab. Der Maximalwert kann als »Spitze« der Xenon-135-Vergiftung bezeichnet werden.

Die Zeit, die zwischen der Abschaltung des Reaktors und der Erreichung der Vergiftungsspitze liegt, beträgt angenähert 11 Stunden, und die Zeit, die vergeht, bis die Vergiftung von dem Höchstwert auf einen Wert abgesunken ist, welcher beim normalen Reaktorbetrieb auftritt, kann in der Größenordnung von 40 Stunden liegen. Gewöhnlich steht bei einem Reaktor mehr Reaktivität zur Verfügung, als nötig ist, um ihn kritisch zu erhalten. Die negative Reaktivität, die durch den Überschuß von Xenon 135 über den Gleichgewichtswert auftritt, kann nur durch Einsatz dieses Mehrbetrages an Reaktivität ausgeglichen werden, wenn der Reaktor wieder gestartet werden soll. Die Höhe des Xenon-135-Uberschusses hängt, wie gesagt, von der seit der Abschaltung vergangenen Zeit ab, außerdem von der Konstruktion des Reaktors sowie von dem Energieniveau, bei dem der Reaktor vor der Abschaltung betrieben wurde.

Wenn bei einem Reaktor nicht genügend überschüssige Reaktivität zur Verfügung steht, um die vom Spitzenwert der Vergiftung dargestellte negative Reaktivität zu überwinden, ist eine Wiederaufnahme des Betriebes nur möglich, wenn seit der Abschaltung eine kurze Zeit vergangen und die Vergiftungsspitze noch nicht erreicht ist oder aber, wenn die

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Vergiftungsspitze zeitlich bereits überschritten ist und eine verlorene »Reaktivität« dar. Der Verlust äußert die Vergiftung auf Grund des Zerfalles von sich in der Notwendigkeit, die Brennstoffelemente Xenon 135 wieder einen tragbaren Wert angenom- gegen neue auszuwechseln, bevor sie theoretisch ermen hat. Bei Versuchsreaktoren ist diese Situation, schöpft sind. Der für eine Wiederaufnahme des Bewenn auch störend, gewöhnlich erträglich. Bei An- 5 triebes innerhalb einer halben Stunde nach der Ablagen dagegen, die zur Erzeugung von Energie für schaltung notwendige Reaktivitätsüberschuß kann technische Zwecke dienen, ist es von viel größerer sich auf ungefähr 0,01 belaufen. Um eine »verlorene« Wichtigkeit, daß die Reaktoren nach einer Abschal- Reaktivität dieser Größenordnung durch Herabtung wieder in Gang gesetzt werden können, sobald Setzung der Energieausbeute zu erreichen, d. h. also der Fehler beseitigt wurde, der die Unterbrechung io durch häufigeren Ersatz der Brennstoffelemente, als verursacht hatte. Wenn man dies nicht kann, weil der er sonst nötig wäre, bedarf es beträchtlicher Aus-Reaktor so stark vergiftet wurde, daß die Vergiftung gaben.

durch den zur Verfügung stehenden Reaktivitäts- Es versteht sich, daß die Möglichkeit, mit Atomüberschuß nicht ausgeglichen werden kann, bedeutet kernreaktoren Energie zu erzeugen, die mit der auf dies, daß der Reaktor einige Tage unproduktiv ist, 15 herkömmliche Weise erzeugten Energie einigermaßen und ein auf einem solchen Reaktor basierendes Ener- konkurrenzfähig ist, davon abhängt, wie weit man die gieversorgungssystem wäre zu unverläßlich. zum Bau von Atomkernreaktoren notwendigen Ka-

Es ist deshalb üblich, einen Atomkernreaktor mit pitalien und jährlichen Kosten herabsetzen kann, einem solchen Reaktivitätsüberschuß zu versehen, Der Zwang, zwischen einem mit schlechtem Wirdaß die Wiederinbetriebnahme des Reaktors nach 20 kungsgrad arbeitenden Reaktor einerseits und einem einer Unterbrechung möglich ist. Es ist jedoch un- wirtschaftlichen Reaktor, der nach einer Abschaltung wirtschaftlich, eine so große Reaktivitätsreserve vor- unter Umständen tagelang außer Betrieb ist, andererzusehen, daß der Reaktor zu jeder Zeit nach der Ab- seits wählen zu müssen, stellt sich dem Ziel der Erschaltung wieder gestartet werden kann, also sogar, Zeugung billiger Atomenergie als ernstes Hindernis wenn die Xenonvergiftung ihren Höchstwert erreicht as entgegen.

hat. Da die meisten Reparaturen bei Atomkern- Hier schafft der vorliegende thermische Atomkernreaktoren oder dem damit verbundenen Elektrizitäts- reaktor, dessen Reaktorkern aus natürlichen Brenn-Erzeugungs- und Verteilungssystem entweder ziem- stoffen oder schwach angereicherten natürlichen hch schnell durchgeführt werden können oder be- Brennstoffen besteht und einen Reaktivitätsüberschuß trächtliche Zeit (1 Tag oder mehr) in Anspruch 30 hat, der ausreicht, um den Reaktor im Normalbetrieb nehmen, wird es gewöhnlich für angemessen erachtet, zu betreiben, der aber nicht ausreicht, um nach Abwenn die Wiederaufnahme des Betriebes innerhalb schalten des Reaktors beim Wiederanfahren die Reeiner halben Stunde nach der Abschaltung geschehen aktivitätsminderung durch Xenonvergiftung zu überkann, wozu ein Reaktivitätsüberschuß von etwa 0,01 winden, und der zur Überwindung der Xenonvergiferforderlich ist. 35 tung beim Anfahren Mittel zur Erhöhung des Reakti-

Es ist bekannt, in Atomkernreaktoren zur Korn- vitätsüberschusses hat, Abhilfe in dem erfindungspensation der Xenonvergiftung einen Reaktivitäts- gemäß als Quelle zusätzlicher Reaktivität Spaltstoff Überschuß fest einzubauen. Ferner ist es bekannt, zu vorgesehen ist, der zum Anfahren des Reaktors in dem gleichen Zweck die Reaktivität durch Verände- den Reaktorkern einzubringen und nach Erreichen rung der Brennstoffmenge zu erhöhen, indem z. B. 40 der normalen Reaktorleistung wieder aus dem ReBrennstoffelemente in den Reaktorkern eingeführt aktorkern zu entfernen ist. Als Spaltstoff wird werden. Die Verwendung von zusätzlichem Brenn- Uran 233, Plutonium 239, vorzugsweise aber Uran 235, stoff zur Reaktivitätserhöhung für die Kompensation verwendet,
der Xenonvergiftung ist jedoch unrationell. Der Spaltstoff kann auch mit einem Metall legiert

Ein wichtiger Faktor für die Wirtschaftlichkeit ist 45 sein, welches einen kleinen Neutronen-Absorptionsdie erzielbare Energieausbeute aus dem Brennstoff. querschnitt sowie eine hinreichende Korrosionsfestig-Der bei einem mit natürlichem oder leicht angerei- keit und gute mechanische Eigenschaften besitzt, chertem Uran betriebene Reaktor erreichte Abbrand beispielsweise Aluminium, Magnesium oder Zirkon, hängt mit der anfänglichen Reaktivitätsreserve zu- Aus einer derartigen Legierung können Teile beliesammen. Die Energieausbeute wird gewöhnlich defi- 50 biger Form hergestellt werden, z. B. Platten, Stäbe niert als die Energie in Megawatt-Tagen, die pro oder Rohre, deren Größe optimal auf den Reaktor-Tonne verwendeten Brennstoff erzeugt wird, d. h. typ, in dem sie verwendet werden sollen, abgestimmt Energie pro Masseneinheit. Ein Reaktivitätsverlust werden kann.

entsteht durch zwei Prozesse, und zwar erstens durch Der wesentliche Unterschied zwischen dem vor-

Abnahme der Nettozahl spaltbarer Atome (PIu- 55 liegenden Reaktor und den bekannten Kernreaktoren

tonium 239 oder Uran 233 können entstehen) und ist also, daß nicht Brennstoffelemente zur Verände-

zweitens durch Ansammlung von Spaltprodukten, die rung der Reaktivität vorgesehen sind, sondern eine

Neutronen abfangen. Quelle von Reaktivität in Form von Spaltstoff, die

Wegen der Komplikationen, die durch das Phäno- nur zum Anfahren des Reaktors in den Reaktorkern

men der Xenonvergiftung nach der Abschaltung ein- 60 hineingebracht wird und im Normalbetrieb außerhalb

tritt, ist es nötig, ein Abfallen der Reaktivität eines des Reaktorkerns angeordnet ist. Während also bei

thermischen Atomkernreaktors unter einem Mindest- den bekanten Kernreaktoren zur Überwindung der

wert zu verhindern, der noch den nötigen Spielraum Xenonvergiftung Brennstoffe, d. h. Material, das in

läßt, um bei der Wiederingangsetzung des Reaktors unterschiedlicher Konzentration spaltbare Atome ent-

die Xenonvergiftung zu überwinden. Die Differenz 65 hält, wie Uran und seine Verbindungen und PIu-

zwischen diesem Mindestwert der Reaktivität und tonium und Plutoniumverbindungen, verwendet wer-

dem Mindestwert, der zulässig wäre, wenn keine den, die sich ständig im Reaktorkern ganz oder teil-

Xenonvergiftung berücksichtigt werden müßte, stellt weise befinden und zur Energieerzeugung beitragen,

wird im vorliegenden Fall Spaltstoff, d. h. ein Material, das aus spaltbaren Atomen besteht, wie z. B. aus den Uranisotopen U 233, U 235 oder Plutonium 239, der praktisch keinem Verschleiß unterworfen ist, weil er sich nur kurzzeitig im Reaktorkern befindet.

Da die Konzentration von Xenon 135 durch Neutronenabsorption schnell auf den Gleichgewichtswert reduziert wird, kann, wenn der Reaktor erst einmal in Gang gekommen ist, der Spaltstoff wieder entfernt werden. Dies soll dann auch unverzüglich geschehen, da der Spaltstoff sonst mit hoher Geschwindigkeit verbraucht wird.

Der Betrag der bereitzustellenden zusätzlichen Reaktivität richtet sich nach den Charakteristiken der einzelnen Reaktoren. Gewöhnlich liegt sie in der Größenordnung von 0,005 bis 0,015, kann jedoch auch höher sein und richtet sich nach der Wirtschaftlichkeit.

Die Erfindung ist im nachstehenden an Hand der Zeichnungen in ihrer Anwendung auf einen heterogenen Reaktor beispielsweise veranschaulicht. Sie läßt sich jedoch auch auf homogene Reaktoren anwenden, die natürliche Brennstoffe benutzen.

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf einen Kernreaktor;

Fig. 2 ist ein Querschnitt entlang der Linie A-A von Fig. 1;

Fig. 3 ist ein Querschnitt entlang der Linie B-B von Fig. 1;

Fig. 4 ist eine perspektivische Darstellung des in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigten Reaktors.

Der in den Zeichnungen veranschaulichte Reaktor ist ein heterogener thermischer Reaktor, bei dem natürliches oder schwach angereichertes Uran als Brennstoff und schweres Wasser als Moderator verwendet werden. Die Zeichnungen sind nur schematisch und zeigen nicht alle konstruktiven Merkmale. sondern nur diejenigen, welche zur Beschreibung des vorliegenden thermischen Atomkernreaktors erforderlich sind.

Der gezeigte Reaktor umfaßt ein Reaktorgefäß 1, in welchem eine Zahl von Brennstoffrohren 2 angeordnet sind. Ein Reflektorbehälter 3 umgibt das Reaktorgefäß 1. Das Reaktorgefäß 1 enthält schweres Wasser als Moderator, und die Reaktivität des Reaktors ist durch Einstellung der Standhöhe des schweren Wassers in dem Gefäß 1 regulierbar. Die Moderatortemperatur ist niedrig zu halten. Deshalb läuft der Moderator ständig durch einen kleinen Wärmeaustauscher. Die Einstellung der Moderatorstandhöhe gestattet es, die Reaktivität des Reaktors bis zu einem Maximalwert zu steigern, der um ein geringes höher ist als die zur Aufrechterhaltung eines stetigen Reaktorbetriebes erforderliche Reaktivität: erreicht der Brennstoff den Gleichgewichtsabbrand, so beträgt der zur Verfügung stehende Reaktivitäts-Überschuß nur noch einen Bruchteil von 0,01 (konstantes Laden und Entladen vorausgesetzt), wenn alle Brennstoffrohre 2 Brennstoffelemente enthalten, wie es bei normalem Betrieb der Fall ist.

Das Kühlmittel, ebenfalls schweres Wasser, zirkuliert durch die Brennstoffrohre 2.

Ein gasdichtes Gehäuse 4 ist auf dem Reaktorgefäß 1 angeordnet und mit diesem dicht verbunden. Es enthält Helium unter fast atmosphärischem Druck. Innerhalb des Gehäuses 4 liegt die Steuervorrichtung für die Reaktivitäts-Hilfsquelle. Diese wird durch vier Platten 5 gebildet, die aus einer Legierung von Aluminium und Uran 235 bestehen und ungefähr 20 mg Uran 235 pro Quadratzentimeter enthalten. Jede der Platten 5 ist mit Aluminium verkleidet. Zusammen bilden die Platten 5 eine Reaktivitätsreserve von 0,01, d. h. also 0,0025 pro Platte.

Die Platten 5 sind in Führungen 6 bewegbar, die aus dem Inneren des Gehäuses 4 in einem Schlitz 7 durch den Reflektorbehälter 3 und das Reaktorgefäß 1 in die Mitte des Reaktorgefäßes 1 führen. Ein Verschieben der Platten 5 in den Führungen 6 nach oben oder unten wird mit Hilfe von Windenkabeln 8 bewerkstelligt, die an den Platten 5 befestigt und um Kabeltrommeln 9 gewunden sind, welche mit Rillen versehen sind und durch Elektromotoren 10 angetrieben werden. Anzeigevorrichtungen 11 sind vorgesehen, die die Lage der Platten 5 in den Führungen 6 angeben und durch den Antriebsmechanismus von den Trommeln 9 aus betätigt werden.

Bei normalem Betrieb des Reaktors befinden sich die Platten 5 vollständig in dem Gehäuse 4 außerhalb des Reaktorgefäßes 1, so daß sie nichts zu der Reaktivität des Reaktors beitragen. Wenn jedoch der Reaktor nach der Abschaltung wieder in Gang gesetzt werden soll, werden die Platten 5 in das Reaktorgefäß 1 hinabgelassen, und zwar gewöhnlich ganz bis zum unteren Ende der Führungen 6, so daß sie sich in der Mitte des Reaktors befinden und ihre maximale Wirkung ausüben. Wenn jedoch die Betriebserfahrung dies nicht ratsam erscheinen läßt oder wenn eine nur geringe Xenonvergiftung vorliegt, können sie auch weniger tief gesenkt werden. Da die Platten 5 unabhängig voneinander zu betätigen sind, ist es auch möglich, weniger als alle vier einzufahren, wenn dies aus irgendeinem Grund wünschenswert ist. Die notwendige Kühlung der Platten 5 wird bei der gezeigten Ausführungsform dadurch bewirkt, daß die Platten in den Moderator eintauchen; die erzeugte Hitze wird durch Konvektion, vielleicht auch durch freies Sieden des Moderators leicht entfernt. Bei Reaktoren, die eine Kühlung auf diesem Wege nicht gestatten, müssen geeignete Vorkehrungen getroffen werden, um eine angemessene Kühlung der Teile, die den Spaltstoff enthalten, sicherzustellen, wenn sich dieser innerhalb des Reaktors befindet.

Die Platten 5 werden in dem Reaktorgefäß 1 belassen, bis der Reaktor wieder in Gang kommt. Sie können bald in das Gehäuse 4 zurückgenommen werden, da beim Wiederingangkommen des Reaktors der starke Neutronenfluß überschüssiges Xenon 135 schnell zerstört.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Thermischer Atomkernreaktor, dessen Reaktorkern aus natürlichen Brennstoffen oder schwach angereicherten natürlichen Brennstoffen besteht und einen Reaktivitätsüberschuß hat, der ausreicht, um den Reaktor im Normalbetrieb zu betreiben, der aber nicht ausreicht, um nach Abschalten des Reaktors beim Wiederanfahren die Reaktivitätsminderung durch die Xenonvergiftung zu überwinden, und der zur Überwindung der Xenonvergiftung beim Anfahren Mittel zur Erhöhung des Reaktivitätsüberschusses hat, dadurch gekennzeichnet, daß Spaltstoff als Quelle zusätzlicher Reaktivität vorgesehen ist, der zum Anfahren des Reaktors in den Reaktorkern einzubringen und nach Erreichen der normalen Reaktorleistung wieder aus dem Kern zu entfernen ist.

2. Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor heterogen ist.

3. Atomkernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltstoff Uran 235 ist.

4. Atomkernreaktor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltstoff mit einem Metall legiert ist, dessen Neutronenabsorptionsquerschnitt klein ist.

5. Atomkernreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltstoff eine Reaktivität von 0,005 bis 0,015 enthält.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Ferdinand Cap, Physik und Technik der Atomreaktoren, Wien, 1957, S. 237;

Electrical Times, 131, 1957, S. 764.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen