DE1189214B - Verfahren und Reaktorsystem zur Steuerung der Spaltgasmenge in homogenen Siedekernreaktoren - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

G 21

Deutsche Kl.: 21g-21/31

Nummer: 1189214

Aktenzeichen: A 36112 VIII c/21g

Anmeldetag: 24. November 1960

Auslegetag: 18. März 1965

Ein homogener Siedekernreaktor erzeugt im Betrieb Dampf, der in einem Kondensator zum größten Teil kondensiert wird, in dem die frei gewordene Wärme an einen Nutzungskreislauf abgegeben wird. Im Reaktor und in dem den Reaktor und den Kondensator enthaltenden System bilden sich stark radioaktive Spaltgase, die mit radiolytischen Gasen vermischt sind. Unter den Spaltgasen ist es vor allem Xe 135, das den dominierenden Beitrag zu der während der stattfindenden Reaktionen vorkommenden Vergiftung des Reaktorkernes liefert. Um den ungünstigen Einfluß der Fissionsgase auf den Reaktionsverlauf in homogenen Reaktoren zu beseitigen, werden nach dem gegenwärtigen Stand der Technik die Fissionsgase fortlaufend vom Reaktorsystem abgeleitet und in Zusammenhang damit in einer Gasreinigungsanlage gereinigt, deren wichtigste Bestandteile Kolonnen mit aktiver Kohle sind, in welchen die Gase absorbiert werden und abklingen können, ehe sie danach durch einen Schornstein abgeleitet werden. Diese Methode zur Spaltgasbehandlung ist kostspielig und außerdem in vielen Hinsichten nicht zufriedenstellend. Es besteht dabei das Risiko einer Kanalbildung in den Kohlenbetten, deren Kapazität dann ein Bruchteil der beabsichtigten wird, und das Risiko einer Zündung. Die Spaltgasmenge, die in die Schornsteine abgeleitet werden kann, ist außerordentlich gering, so daß Betriebsstörungen in den Kohlenbetten wegen der größeren Spaltgasmenge, die dabei durch die Schornsteine entweichen kann, beträchtliche Unannehmlichkeiten in hygienischer Hinsicht ergeben können.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Spaltgasmenge im Reaktorkern eines zu einem Reaktorsystem mit Kondensator gehörenden homogenen Kernreaktors, bei dem im Reaktorkern während des Betriebes Dampf erzeugt wird, dessen Wärmegehalt während der Kondensation des Dampfes abgeführt wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des beim Betrieb gebildeten Spaltgases in einer Gasmasse, deren Gas bei den im Reaktorsystem herrschenden Drücken und Temperaturen nicht verflüssigbar ist, dadurch aufgespeichert wird, daß Gas von der gespeicherten Gasmasse im Kreislauf dem Dampf-Flüssigkeits-Kreislauf in dem Reaktorsystem auf dem dampfführenden Abschnitt überlagert wird. Das Gas zirkuliert dadurch in einem geschlossenen System. Zur Durchführung des Verfahrens kann man mit Vorteil ein Reaktorsystem verwenden, bei dem der Gaskreislauf einen ersten Aufbewahrungstank aufweist, dessen Ausgangsleitungen in den Dampf-Flüssigkeits-Verfahren und Reaktorsystem zur Steuerung der Spaltgasmenge in homogenen Siedekernreaktoren

Anmelder:

Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget,

Västeräs (Schweden)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Missling, Patentanwalt,

Gießen, Bismarckstr. 43

Als Erfinder benannt:

Olle Lindström, Västeräs (Schweden)

Beanspruchte Priorität:

Schweden vom 2. Dezember 1959 (11339)

Kreislauf führt, und einen zweiten Aufbewahrungstank, dessen Eingangsleitung mit dem Dampf-Flüssigkeits-Kreislauf in Verbindung steht, und ein zwischen diesen Gastanks angeordnetes Gebläse, das Gase vom zweiten, dem Empfängertank, zum ersten, dem Speisetank, weiterbefördert. Mindestens ein Gastank ist über ein druckgeregeltes Ventil und einen Kompressor, ein Gebläse od. dgl. an einem Expansionstank angeschlossen.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnungen beschrieben, die verschiedene Ausführungsbeispiele zur Durchführung des Verfahrens zeigen, und zwar

F i g. 1 und 2 Reaktionssysteme mit einem Aufbewahrungstank,

F i g. 3 ein System mit zwei Gastanks, nämlich mit einem Speisetank und einem Empfängertank, und

Fig. 4 ein System mit zwei Gastanks und mit einem an einen von diesen angeschlossenen Expansionstank.

Der kochende Reaktorkern 2 des Reaktorgefäßes 1, der leichtes oder schweres Wasser als Moderator enthält, gibt in der Anordnung nach F i g. 1 Wasserdampf ab, der über die Leitung 3 in den Kondensator 4 aufsteigt. Der Dampf wird hier kondensiert und gibt seinen Wärmegehalt an das bei 5 eingeführte und bei 6 abfließende Speisewasser ab. Das Kondensat wird über die Leitung 7 zum Reaktorkern

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zurückgeführt. Der homogene Siedereaktor gibt auch wegen der radiolytischen Dekomposition des Moderators Knallgas ab. Das Knallgas wird im Rekombinator 8 rekombiniert. Die Leitung zwischen dem Kondensator 4 und Rekombinator 8 ist mit 9 bezeichnet. Etwa vorhandener Restdampf vom Kondensator 4 wird zusammen mit im Rekombinator gebildetem Wasserdampf und eventuell zurückgebliebenem Knallgas über die Leitung 10 zu einem

den Reaktionsverlauf ungefährlicher Teil im Reaktorkern bleibt.

Für Xe 135 gilt besonders, daß dieser genannte Teil konstant oder annähernd konstant ist. Das 5 Spaltgas enthält einen akkumulierenden Teil stabiler Isotopen und einen Teil mit Gleichgewichtskonzentrationen von instabilen Isotopen. Das Abklingen der instabilen Isotopen der Spaltgase geht nun hauptsächlich innerhalb der Gasmasse vor sich, wodurch

Endkondensator 11 geführt, welchem zweckmäßig io wenigstens ein Teil der dabei entwickelten Wärme über die Leitung 12 Speisewasser auf der Sekundär- für die Energieproduktion ausgenutzt werden kann, sehe zugeführt wird. Dieses Wasser kann auch zum Ein Umstand, den man bei der Wahl der Gas-

Kühlen des Kondensators 4 ausgenutzt werden, wo- masse berücksichtigen muß, ist, daß der Gehalt des bei es als Speisewasser über die Leitung 5 in die nichtkondensierbaren Gases an Spaltgasen, die, wie Sekundärseite des Kondensators 4 eingeführt wird. 15 oben erwähnt, aufgespeichert werden, während der In dem Endkondensator gebildetes Kondensat wird beabsichtigten Betriebszeit des Reaktors nicht so über die Leitung 13 zum Reaktorkern zurückgeführt. groß sein darf, daß der wegen der Verteilung zwi-Das gezeigte System für die äußere Rekombinierung sehen Gasphase und Reaktorkern im Reaktorkern von Knallgas, das im wesentlichen aus dem Rekom- vorkommende Teil der Spaltgase eine schädliche binator8 und dem Endkombinator 11 besteht, fällt 20 Konzentration erreicht. Die Größe der Gasmasse fort, wenn eine interne Rekombinierung, z. B. durch _wi_rd auch von mehreren anderen Faktoren beeinflußt, z. B. vom Dampfgehalt und dem Betriebsdruck des Reaktors. Es hat sich gezeigt, daß die erforderliche Größe der Gasmasse überraschend klein ist. In über die Leitung 14 bei den herrschenden physi- 25 den meisten Fällen nimmt diese erforderliche Gaskalischen Bedingungen nicht kondensierbares Gas menge bei dem Betriebsdruck und der Betriebszugeführt, z.B. Wasserstoff, Deuterium, Sauerstoff, temperatur des Reaktors ein Volumen an, das Helium, wobei die Wahl des Gases durch die ungefähr gleich dem halben Volumen des Reaktorchemische Zusammensetzung des Reaktorkernes be- kerns ist. Abgesehen davon, daß die Spaltgase sich einflußt wird. Das Gas, das vom Aufbewahrungs- 30 in der oben beschriebenen vorteilhaften Weise zwigefäß 15 kommt, wird dabei mit dem Dampf ver- sehen der Flüssigkeitsphase im Reaktorkern und der mischt und wird, nachdem es den Kondensator 4 und Gasphase verteilen und eine außerhalb des Systems die eventuell angeschlossenen Anordnungen 8 und 11 vor sich gehende Spaltgasbehandlung vermieden passiert hat, über die Leitung 16 zum Aufbewah- werden kann, wird mit dem Verfahren nach der Errungsgefäß 15 zurückgeleitet. Das Zirkulieren des 35 findung noch der wesentliche Vorteil erreicht, daß Gases in diesem geschlossenen System wird von der nicht rekombiniertes Knallgas dem nichtkondensier-Gaspumpe 17 besorgt. baren Gas in seiner Zirkulation folgt, weshalb die

Wenn kein Gas zurückgeführt werden würde und Rekombinierungsanordnung nicht für vollständige somit kein solches Gas bei der Kondensation gegen- Rekombinierung des durchströmenden Knallgases wärtig wäre, würde die Konzentration von schäd- 40 bemessen zu werden braucht.

liehen Spaltgasen im Reaktorkern bald für einen F i g. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform des

ökonomischen und sicheren Betrieb des Reaktors zu Systems nach Fig. 1, in der das Gas direkt in den hoch werden. Eine größere Menge an Spaltgas ver- Reaktorkern 2 über ein Zuführrohr 18 eingeleitet schlechten nämlich die Neutronenökonomie und wird.

verlangt deshalb eine höhere Überschußreaktivität 45 Das System nach F i g. 3 enthält zwei Gastanks, des Reaktorkernes, was seinerseits das Risiko eines einen Sammeltank 19, in welchem das Gas, das die unstabilen Betriebes mit sich bringt. Die Vergiftung
des Reaktorkernes ist beinahe ganz durch die

Zusatz von Katalysatoren zum Reaktorbrennstoff, erreicht werden kann.
Dem vom Reaktorkern aufsteigenden Dampf wird

Xenonisotopen bedingt, und unter diesen beinahe

Kühlanordnungen des Reaktors passiert hat, gesammelt wird, und einen Speisetank 20, von welchem das Gas zum Reaktorsystem geleitet wird. Zwischen nur durch Xe 135, das sehr kurze Zeit nach dem 50 dem Sammeltank und dem Speisetank ist eine Gas-Start des Reaktors in einer konstanten Gleich- pumpe 17, die aus einem Gebläse, Kompressor gewichtsmenge vorliegt. Wegen der durch das Auf- od. dgl. besteht, angeordnet. Diese hebt den Druck speichern von Fissionsgasen im Reaktorkern ent- vom Sammeltank zum Speisetank an, so daß eine stehenden Nachteile war man früher gezwungen, wie Zirkulation von Gas aufrechterhalten wird. Die Zires in der Einleitung behandelt worden ist, bei sol- 55 kulation wird durch ein Drosselventil 21 geregelt. chen Reaktoren die Fissionsgase über besondere Eine konstante Druckdifferenz zwischen dem Sam-Reinigungsanlagen wegzuleiten. _mel- und dem Speisetank wird mit Hilfe des

Durch das Zuführen von nichtkondensierbarem Regulierventils 22 aufrechterhalten. Gas zum System, in der Weise, daß Gas während Das System nach F i g. 4 stimmt im großen und

der Kondensation des vom Reaktorkern kommen- 60 ganzen mit der in F i g. 3 überein, aber es enthält den Dampfes gegenwärtig ist, wird eine wesentliche außerdem einen Kreis mit einem Expansionstank 23 Verdünnung der Spaltmenge im Reaktorkern er- und mit Anordnungen zum Konstanthalten des reicht. Das Spaltgas wird sich nämlich jetzt zwischen Druckes im Sammeltank. Diese Anordnung besteht der Flüssigkeitsphase im Reaktorkern und der aus einer Gaspumpe 24, z. B. einem Kompressor, Gasphase verteilen. Wenn das System in zweck- 65 Gebläse od. dgl., und einem druckgeregelten

mäßiger Weise bemessen wird, kann man erreichen, daß der größere Teil der Spaltgase, einschließlich Xe 135, in der Gasmasse, und nur ein kleiner, für

Ventil 25.

An das verwendete Gas wird die primäre Forderung gestellt, daß es einen niedrigen Absorptions-

querschnitt für Neutronen haben soll. Geeignete Gase sind in erster Linie Deuterium, Helium, Sauerstoff, aber auch Wasserstoff, Stickstoff, Neon und Argon können verwendet werden. Bei homogenen Schwerwassersiedereaktoren mit Dispersionsbrennstoff, z. B. Uran- und Thoriumoxyden, ist es besonders vorteilhaft, Deuterium als Gas zu verwenden, während bei solchen Siedereaktoren mit in Lösungen befindlichem Brennstoff, z. B. Uranylsulfat, zweckmäßigerweise Sauerstoff oder eine Mischung von Sauerstoff und Helium verwendet werden können. Deuterium hat den Vorteil, daß es leicht durch Verbrennen, direkt oder katalytisch mit Sauerstoff, entfernt werden kann, wenn man den Druck in einem Gastank, z. B. dem Expansionstank 23, senken wollte, ohne deswegen das Gas in die Umgebung ableiten zu brauchen, oder wenn man die Spaltgase in konzentrierter Form gewinnen wollte. Man kann dieselben Gesichtspunkte bei Anwendung» von Sauerstoff haben, das in einer ähnlich leichten Weise in Wasser übergeführt werden kann.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, und zwar unter Angabe der Betriebsbedingungen in einem als Beispiel gewählten Fall, der sich auf die Anordnung nach F i g. 4 bezieht. Ein oder mehrere Reaktorkerne 2, bestehend aus in schwerem Wasser dispergiertem Thoriumoxyd (200 g/l) und angereichertem Material U 233 oder 235, gibt 10 m³ gesättigten Dampf pro Sekunde bei 280° C und 64 Bar ab. Dieser Reaktorkern enthält keine Katalysatoren für die interne Rekombinierung von radiolytisch gebildetem Knallgas, weshalb der Dampf etwa 0,5 Volumprozent Knallgas enthält, das in einem Rekombinator 8 rekombiniert wird. Das aus Deuterium bestehende Gas wird in einer Menge von etwa 1 % des Dampfstromes, das sind 0,1 m³/Sek., zugeführt. Nach Kondensation des Dampfes wird das Gas über die Leitung 16 zum Sammeltank 19 abgeleitet, der aus einer Anzahl parallel oder in Reihe geschalteter Gaszylinder mit einem totalen Volumen von 15 m³ bestehen kann. Der Kompressor 17 pumpt 0,2 m³ Gas pro Sekunde zum Speisetank 20, die auch ein Volumen von 15 m³ haben kann. Der Druckunterschied zwischen dem Sammeltank und dem Speisetank beträgt 0,5 Bar. Der Expansionstank 23 hat ein Volumen von 30 m³, und der Druck ist normalerweise 5 Bar, aber der Tank kann auch den ganzen Betriebsdruck aushalten. Die Menge an Xe 135 ist, wie früher bereits erwähnt, im Dauerzustand konstant. Als Gasmenge betrachtet, ist sie sehr gering. Die totale Menge an Spaltgas steigt mit

0,2 Volumprozent im Jahr, gerechnet am Volumen des Permanentgases. Eine schädlich hohe Konzentration von Spaltgasen entsteht nicht während der angenommenen Betriebszeit des Reaktors von 5 25 Jahren.

Bei Reaktorsystemen der genannten Typen ist es in der Regel zweckmäßig, eine nichtkondensierbare Gasmenge von 0,3 bis 3%, insbesondere 1%, der Dampfmenge zuzuführen.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Steuern der Spaltgasmenge in einem Reaktorkern eines zu einem Reaktorsystem mit Kondensator gehörenden homogenen Kernreaktors, bei dem im Reaktorkern während des Betriebes Dampf erzeugt wird, dessen Wärmegehalt während der Kondensation des Dampfes abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des beim Betrieb gebildeten Spaltgases in einer Gasmasse, deren Gas bei den im Reaktorsystem herrschenden Drücken und Temperaturen nicht verflüssigbar ist, dadurch aufgespeichert wird, daß Gas von der gespeicherten Gasmasse im Kreislauf dem Dampf-Flüssigkeits-Kreislauf in dem Reaktorsystem auf dem dampfführenden Abschnitt überlagert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Gasmasse mindestens so groß ist wie das halbe Volumen des Reaktorkerns.

3. Reaktorsystem zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaskreislauf einen ersten Aufbewahrungstank aufweist, dessen Ausgangsleitung in den Dampf-Flüssigkeits-Kreislauf führt, und einen zweiten Aufbewahrungstank, dessen Eingangsleitung mit dem Dampf-Flüssigkeits-Kreislauf in Verbindung steht, und daß ein zwischen diesen Aufbewahrungstanks in deren Verbindungsleitung angeordnetes Gebläse, das in dem zweiten Tank gesammelte Gas zu dem ersten Tank weiterbefördert.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens an einen Aufbewahrungstank ein Expansionstank angeschlossen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
I. A. Lane, »Fluid Fuel Reactors«, 1958, Reading, USA., S. 801.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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