DE1222595B

DE1222595B - Brutreaktor mit schnellem Reaktorkern

Info

Publication number: DE1222595B
Application number: DEU10859A
Authority: DE
Inventors: Walter Bernard Loewenstein
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1963-10-16
Filing date: 1964-07-01
Publication date: 1966-08-11
Also published as: ES300821A1; US3140234A; GB1002273A; BE653827A; NL6408140A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G21c

Deutsche Kl.: 21g-21/20

Nummer: 1222595

Aktenzeichen: U10859 VIII c/21 g

Anmeldetag: 1. Juli 1964

Auslegetag; 11. August 1966

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brutreaktor mit leichtmetallgekühltem schnellem Reaktorkern, der aus mehreren einzeln subkritischen Spaltstoffbereichen besteht und Brutbereiche enthält.

Relativ kleinen schnellen Reaktoren sind negative Kühlmittelblasenkoeffizienten eigen. Das heißt die Reaktivität nimmt bei Kühlmittelverlusten ab. Ein Umstand oder ein Gefahrenmoment, das die Konstruktion von großen, schnellen Reaktoren schwierig macht, besteht in der Möglichkeit, daß diese Reaktoren einen positiven Kühlmittelblasenkoeffizienten aufweisen können. Das heißt, die Reaktivität würde bei Kühlmittelverlust zunehmen.

Die Tatsache, daß große Reaktoren einen positiven, hingegen kleine Reaktoren einen negativen Kühlmittelblasenkoeffizienten haben können, ist dadurch begründet, daß die beobachtete Wirkung der Reaktoren das Resultat von zwei entgegengesetzt gerichteten Effekten ist. Wenn ein schneller Reaktor Kühlmittel verliert, führt der zunehmende Neutronenverlust zu einer Abnahme der Reaktivität des Reaktors. Ebenfalls führt jedoch die Zunahme der mittleren Neutronenenergie der in dem Kern vorhandenen Neutronen zu einer Vergrößerung der Reaktivität. In einem kleinen Reaktorkern überwiegt bei der Summierung der Wirkungen die Reaktivitätsabnahme, da der Reaktivitätsverlust infolge des zunehmenden Neutronenverlustes dominiert. Ein solcher Reaktor weist einen negativen Kühlmittelblasenkoeffizienten auf und kann ohne Gefahr betrieben werden, daß der Kühlmittelverlust zu einem schnelleren Aufbrauchen des Spaltstoffes oder zu einem Durchgehen des Reaktors führt.

Wenn die Größe des Kerns zunimmt, nimmt in Abhängigkeit von der Materialzusammensetzung des Reaktorkerns der Neutronenverlust relativ an Bedeutung bis zu einem Punkt ab, an dem die Zunahme der Reaktivität infolge der Zunahme der mittleren Neutronenenergie überwiegt und der Blasenkoeffizient des Reaktors einen positiven Wert annimmt.

Eine solche Situation muß selbstverständlich vermieden werden, und es wurden deshalb bereits Lösungen zur Vermeidung solcher Situationen gemacht. Eine dieser Lösungen besteht darin, das Volumen des Kühlmittels in dem Reaktorkern zu vergrößern, um auf diese Weise die Wirkung des Neutronenverlustes zu begünstigen. Diese Maßnahme führt jedoch zu einer geringen Ausgleichsmöglichkeit und resultiert in einer abnehmenden Energiedichte.

Bei dem eingangs genannten Reaktor werden hingegen zur Vermeidung dieses Nachteils erfindungsgemäß die Brutstoffbereiche zwischen den Spalt-Brutreaktor mit schnellem Reaktorkern

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,

Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Abitz und Dr. D. Mori,

Patentanwälte, München 27, Pienzenauer Str. 28

Als Erfinder benannt:

Walter Bernard Loewenstein, Elmhurst, JU.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 16. Oktober 1963 (316784)

Stoffbereichen angeordnet, um diese Spaltstoffbereiche lose miteinander zu koppeln, und das Gesamtvolumen der Spaltstoffbereiche größer als 8001 gewählt.

Mit diesen Maßnahmen gemäß der Erfindung kann jeder schnelle Reaktor, der einen positiven Blasenkoeffizienten aufweist, so ausgelegt werden, daß er einen negativen Blasenkoeffizienten erhält. Bei einigen Kernzusammensetzungen hat die Erfindung keine praktische Bedeutung, da jeder Reaktor mit praktisch brauchbarer Kerngröße an und für sich einen negativen Kühlmittelblasenkoeffizienten aufweist. Bei anderen Kernzusammensetzungen hat die Erfindung wegen der großen Kernabmessungen, bei denen der Kühlmittelblasenkoeffizient positiv werden würde, nur eine begrenzte Anwendbarkeit. Zum Beispiel wird die Erfindung wahrscheinlich niemals auf einen schwermetallgekühlten Reaktor angewendet werden können, da ein solcher Reaktor bis zu mehreren tausend Litern Kerngröße einen negativen Kühlmittelblasenkoeffizienten aufweist. In gleicher Weise weist die Erfindung vergleichsweise wenig Bedeutung auf für solche Reaktoren, in denen U-235 als Brennstoff verwendet wird, da diese Reaktoren bis zu einem Inhalt von 1500 bis 20001 einen negativen Blasenkoeffizienten aufweisen. Andererseits ist die Erfindung auf leichtmetallgekühlte, mit Plutonium-239 beschickte Reaktoren, die eine Kerngröße von über etwa 8001 aufweisen, bereits anwendbar. Eine Gefahr aus dem Kühlmittelverlust resultiert in mit Plutonium-239 beschickten Reaktoren bei kleineren Kernabmessungen als in mit Uran-235 beschickten

609 603/300

Reaktoren aus der starken Abhängigkeit des Verhältnisses von Neutroneneinfang zu Spaltung bei dem Pu-239-Isotop. In einem Reaktor mit Pu-239 als Spaltstoff vermindert eine leichte Erhöhung der Neutronenenergie, die durch einen Kühlmittelverlust bedingt ist, das Verhältnis der'Neutroneneinfänge zu den Kernspaltungen, wodurch die .Reaktivität zunimmt. Auf diese Weise führt die Zunahme der mittleren Neutronenenergie zu einer merklichen Vergrößerung der Reaktivität in einem Pur239-Reaktor, jedoch zu einer wesentlich geringeren Vergrößerung der Reaktivität als in einem U-235-Reaktor, da die Abnahme des Neutroneneinfang-Kernspaltungs-Verhältnisses bei zunehmender Neutronenenergie in Pu-239 wesentlich stärker zum Ausdruck kommt, als in U-235. Deshalb Weist ein U-235-Reaktor einen negativen Kühhnittelblasenkoeffizienten erst bei sehr viel größeren Abmessungen auf.

Es wird betont, daß die Erfindung nur auf sehr große Reaktoren Anwendung findet. Die kleinsten Reaktoren mit positiven Kühhnittelblasenkoeffizienten weisen eine Kerngröße von etwa 8001 auf. Um von dieser Größe einen Begriff zu geben, .wird hervorgehoben, daß der EBR-Π eine Kerngröße von 651 aufweist. Die Zukunft der Atomenergie scheint jedoch in großen Schnellbrütern zu Hegen, da nur in solchen Reaktoren die Uranreserven wirtschaftlich voll ausgeschöpft werden können.

Die Erfindung bezweckt deshalb, einen sehr großen, schnellen Reaktor zu entwickeln mit negativem Künlmittelblasenkoeffizienten.

Weiter bezweckt die Erfindung, einen sehr großen natriumgekühlten, mit Plutonium beschickten schnellen Reaktor zu schaffen, der einen negativen Natriumblasenkoeffizienten besitzt.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem natriumgekühlten, mit Plutonium 239 beschickten schnellen Reaktor beschrieben, bei dem der Kern zu 50 % aus Natrium besteht und die Kerngröße 15001 beträgt. In einem Reaktor dieser Art und Größe ist die aus einem Kühlmittelverlust resultierende Katastrophengefahr sehr groß, da der Blasenkoeffizient im wesentlichen positiv ist.

Ein Reaktor dieser Art und Größe, der gemäß dieser Erfindung ausgelegt ist,- weist einen negativen Blasenkoeffizienten auf, ohne daß ein Brutgewinnverlust in Kauf genommen werden muß, wobei die Ausgaben für den Spaltstoff in vernünftigen Grenzen bleiben. ..-...-

Um die angestrebte Wirkung zu erreichen, besteht gemäß der Erfindung der Reaktorkern aus mehreren sübkritischen Kernen, die durch Brutmäntel aus

ίο brütbarem Material gekoppelt sind, die zwischen den subkritischen Kernen angeordnet sind. Vorzugsweise weist der Reaktorkern mehrere Platten auf, die das spaltbare Material enthalten und die durch Platten, die das brütbare Material enthalten, voneinander getrennt sind. Die Erfindung ist zwar auch auf Reaktorkerne mit zylindrischer oder sphärischer Geometrie anwendbar, eine wirtschaftlichere Ausnutzung des Spaltstoffs ist jedoch in solchen Kernen möglich, die sich in einem Reaktor mit kubischer Geometrie befinden.

Die Erfindung wird zunächst an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert, die schematisch einen Reaktorkern gemäß der Erfindung zeigt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach dieser Erfindung werden drei plattenförmige Kernbereiche 10 durch Mantelbereiche 12 voneinander getrennt, um den aktiven Teil 14 eines Kernreaktors zu bilden. Der aktive Teil 14 ist an allen Seiten von einem Reflektor 16 umgeben. Jeder Kernbereich 10 ist 48 cm stark, 100 cm hoch und 100 cm breit und enthält 25 Volumprozent Plutonium, 25 Volumprozent Stahl und 50 Volumprozent Natrium. Das Gesamtvolumen aller Kernbereiche 10 beträgt 15001. Jeder Mantelbereich 12 ist 20 cm stark, 100 cm breit und 100 cm hoch und enthält 60 Volumprozent abgereichertes Uran, 20 Volumprozent Stahl und 20 Volumprozent Natrium. Der Reflektor 16 ist 45 cm stark und enthält ebenfalls 60 Volumprozent abgereichertes Uran, 20 Volumprozent Stahl und 20 Volumprozent Natrium.

Die nachfolgende Tabelle gibt das Ergebnis der Berechnungen wieder, die die Wirksamkeit der Erfindung beweisen.

Anzahle	er Bereiche	Stärke jedes Bereiches in axialer Richtung (cm)	Brutmantel^c)	Kritische Anreicherung von Spaltstoff r NP« ι	nach Entfernung	Reaktivitätsänderung bei Abzug von 30 % Natrium aus dem Kern	Größe
			-C	I (NP" + NU238) J	von 30 °/o Nad)		(Vo A K/K)
	Reflektor *)	Kern	10		0,08763	Vorzeichen	0,033
Kern»	2	142	10 e)	Bezugswert	0,10405	positiv	0,143
1	3	71	5	0,08776	0,10350	negativ	0,130
2	3	71	15	0,10376	0,09842	negativ	0,0188
2	3	71	20	0,10323	0,10645	positiv	0,264
2	3	71	10	0,09846	0,10742	negativ	—
2	3	71	15	0,10595	0,10708	negativ	0,074
2	4	48	20	0,10681	0,11445	positiv	0,024
3	4	48	25	0,10717	0,12013	negativ	0,187
3	4	48	10	0,11441	0,12408	negativ	—
3	4	48	20	0,11972	0,12397	negativ	0,16
3	6	28	0,12340	0,15289	positiv	—
5	6	28	0,12422	negativ
5		0,15245

^a) Kern enthält 25 Volumprozent Pu-U-Metall, 25 Volumprozent Stahl und 50 Volumprozent Natrium.

t>) Brutmantel enthält 60 Volumprozent abgereichertes Uran, 20 Volumprozent Stahl und 20 Volumprozent Natrium.

°) Nur die zwischen den Kernbereichen angeordneten Brutmantelbereiche. Der äußere Reflektor ist an jeder Stelle etwa

45 cm stark.

^d) Lediglich aus den Kernbereichen.
: ^e) Brutmantelbereich enthält natürliches Uran.

Die Tabelle gibt die Reaktivitätsänderung bei 30 °/o Verlust an Kühlmittel wieder. Da der Zweck dieser Erfindung die Vermeidung einer positiven Reaktivitätsänderung ist, um die Sicherheit des Reaktors zu gewährleisten, sind im allgemeinen diejenigen Reaktorkerne, die die höchste negative Reaktivitätsänderung bei Änderung des Kühhnittelinhalts zeigen, die besten. In einigen Fällen ist die Größe der Reaktivitätsänderung nicht dargestellt, da das Berechnungsverfahren nicht angewandt werden konnte, um brauchbare Ergebnisse zu erhalten.

Aus der Tabelle kann ersehen werden, daß der Charakter der Reaktivitätsänderung sich merklich ändert, wenn mehrere lose gekoppelte Platten kleinerer Stärke vergleichsweise zu einem großen plattenförmigen Kern angeordnet werden. Außerdem kann ersehen werden, daß lediglich die Maßnahme, zwei oder mehrere Platten durch einen Brutmantel aus abgereichertem Uran voneinander zu trennen, nicht immer zu den erwünschten Ergebnissen führt. Aus der Tabelle geht jedoch klar hervor, daß die Reaktivitätsänderung für einen Reaktorkern mit zwei 71 cm starken Platten, die entweder von einem 10 cm oder einem 15 cm starken Brutmantel voneinander getrennt werden, ebenso wie die Reaktivitätsänderung für einen Kern mit drei 48 cm starken Platten, die von 15 cm oder 20 cm starken Brutmantelschichten voneinander getrennt werden, negativ ist. Da die Reaktivitätsänderung einer einzelnen 142 cm starken Platte positiv ist, ist die Wirkung der Erfindung an Hand der Tabelle nachgewiesen.

Es ist schwierig, genaue und reproduzierbare Kriterien für die Geometrie eines Reaktorkerns anzugeben, die die optimalen Vorteile der Maßnahmen gemäß der Erfindung zeigt. Die optimale Anzahl der Kernbereiche und die Größe der Brutbereiche, die die Kernbereiche voneinander trennen, hängen von den Parametern des besonderen Reaktors unter Betriebsbedingungen ab, und sogar bei einem ganz bestimmten Reaktor sind Abhängigkeiten von der Konstruktion oder dem Kernhaushalt möglich, die nicht durch die Vorberechnung des Reaktors erfaßt werden können.

Die Brutmantelbereiche müssen stark genug sein, um den gewünschten Effekt zu erhalten, d. h. um einen hinreichenden Neutronenausfluß zu erhalten, so daß eine negative Reaktivitätsänderung zu verzeichnen ist. Wie aus der Tabelle hervorgeht, ist ein 5 cm starker Brutmantel für einen 15001 großen Reaktorkern der beschriebenen Zusammensetzung ungenügend. Außerdem muß daran erinnert werden, daß eine Zunahme der Stärke des Brutmantels notwendigerweise die Spaltstoffmenge vergrößert und daß bei bestimmten Stärken des Brutmantels die voneinander getrennten Kernbereiche entkoppelt werden, wodurch die Vorteile der Maßnahmen gemäß der Erfindung verlorengehen. Da jeder Kernbereich eines Reaktors gemäß der Erfindung für sich allein im wesentlichen nicht kritisch ist, würde eine vollständige Entkopplung in einem Verlust des kritischen Zustande überhaupt resultieren. Es wird angenommen, daß die Entkopplung beginnt, wenn der Brutmantel über etwa 25 cm stark ist.

Wie aus der Tabelle zu sehen ist, ist die Anzahl der Kernbereiche nicht wesentlich und kann zwei, drei oder möglicherweise noch größer für den beschriebenen Reaktor sein. Keine bestimmte Angabe einer optimalen Anzahl konnte gefunden werden, jedoch bei zunehmender Anzahl und konstantem Kernvolumen erhöht sich die Spaltstoffbeschickung, die für den Betrieb des Reaktors erforderlich ist.

Um beste Ergebnisse zu erhalten, ist es notwendig, das Bedürfnis nach einem erhöhten Neutronenverlust, um eine negative Reaktivitätsänderung bei Kühlmittelverlust zu erzeugen, mit dem vergrößerten Spaltstoffbedarf, der durch diesen Neutronenverlust erforderlich ist, auszugleichen. Die bevorzugte Ausführungsform nach dieser Erfindung wurde ausgewählt, da sie einen geeigneten Ausgleich dieser Erfordernisse schafft und ebenfalls weil diese Ausführungsform auf größere Reaktoren ohne größere Schwierigkeiten übertragen werden kann.

ig Es wird hervorgehoben, daß eine Änderung des Brutmantelmaterials von abgereichertem Uran zu Natururan die Änderung der negativen Reaktivität vermindert, was beweist, daß es erforderlich ist, abgereichertes Uran in den Brutmänteln zu verwenden.

ao In jedem Fall ist eine Änderung der Reaktivität nach der negativen Seite hin mit einem vergrößerten Spaltstoffbedarf verbunden. Dieser Nachteil wiegt jedoch nicht annähernd so schwer wie der Aufwand, der nötig ist, um mehrere verschiedene Reaktoren zu bauen, von denen jeder klein genug ist, um einen negativen Blasenkoeffizienten zu erzeugen und die alle zusammen dieselbe Leistung erzeugen.

Das Brutverhältnis eines Reaktors gemäß der Erfindung ist wenigstens ebensogut und vielleicht sogar besser als eines Reaktors derselben Größe, der einen einteiligen Kern aufweist. Der Grund hierfür besteht darin, daß die mittlere Neutronenenergie in dem Reaktor durch die zusätzlichen Brutmantelbereiche zunimmt, weil der Brutmantel die Neutronen mit geringerer Energie, die in dem Reaktor vorhanden sind, herausfiltert.

Außerdem ist die Konzentration von Plutonium, das in den Zwischenbrutbereichen gebildet wird, größer als in einem in üblicher Weise verwendeten äußeren Mantel, da die Neutronen den zwischengeschalteten Mantelbereich von zwei Richtungen erreichen. Deshalb ist die Konzentration von Plutonium, die erhalten wird, fast zweimal so groß wie diejenige, die in einem an der Peripherie des Reaktorkerns angeordneten Brutmantel erzeugt wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Brutreaktor mit leichtmetallgekühltem, go schnellem Reaktorkern, der aus mehreren einzelnen subkritischen Spaltstoffbereichen besteht und Brutstoffbereiche enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Brutstoffbereiche zwischen den Spaltstoffbereichen angeordnet sind, um diese Spaltstoffbereiche lose miteinander zu koppeln, und daß das Gesamtvolumen der Spaltstoffbereiche größer als 8001 ist.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltstoffbereiche Plutonium-239 enthalten.

3. Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltstoffbereiche und die Brutstoffbereiche zwischen den Spaltstoffbereichen aus rechteckigen Platten bestehen.

4. Kernreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei plattenförmige Spaltstoffbereiche, die jeweils Tl cm stark, 100 cm breit und 100 cm hoch sind und

25 Volumprozent Plutonium, 25 Volumprozent Stahl und 50 Volumprozent Natrium enthalten, und durch einen Brutstoflbereich zwischen den Reaktorbereichen, welcher 10 bis 15 cm stark, 100 cm hoch und 100 cm breit ist und 60 Volumprozent abgereichertes Uran, 20 Volumprozent Stahl und 20 Volumprozent Natrium enthält, und durch einen 45 cm starken Reflektor, der abgereichertes Uran enthält und den Spaltstoff und den Brutstoflbereich umgibt.

5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch drei plattenförmige Spaltstoffzonen, die jeweils 48 cm stark, 100 cm hoch und 100 cm breit sind und 25 Volumprozent Plutonium-239, 25 Volumprozent Stahl und 50 Volumprozent Natrium enthalten, durch je

eine Brutstoffzone zwischen jeweils zwei Kernbrennstoffzonen, die zwischen 15 und 20 cm stark, 100 cm hoch und 100 cm breit ist und 60 Volumprozent abgereichertes Uran, 20 Volumprozent Stahl und 20 Volumprozent Natrium enthält, und durch eine 45 cm starke Reflektorschicht, die abgereichertes Uran enthält und die den Spaltstoff und den Brutstoff umgibt.

ίο In Betracht gezogene Druckschriften:

Französische Patentschrift Nr. 1322 563;

USA.-Patentschriften Nr. 2 870 076, 2 961 393,
2982709;

»Nuclear Engineering«, September 1962, S. 356 und 357;

»Umschau«, 1962, H.

6, S. 161 bis 164.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen