DE1230506B - Verfahren zur Inhibierung von Reaktionen zwischen dem Graphit-Moderator und dem Kohlendioxyd-Kuehlgas eines Atomkernreaktors - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G 21 c

Deutsche KL: 21g-21/20

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

U10268 VIII c/21 g 12. November 1963 15. Dezember 1966

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Inhibierung der Reaktion zwischen dem Graphit-Moderator und dem aus Kohlendioxyd bestehenden Kühlgas eines Kernreaktors durch Beimischung einer gesteuerten Menge eines Zusatzstoffes zum Kühlmittel.

Die üblichen Ausführungsformen von Reaktoren dieser Art haben Brennstoffelementkanäle, die durch nicht verkleidete Oberflächen von Graphit gebildet werden, und unter Druck gehaltenes Kohlendioxyd-Kühlmittel, das durch diese Kanäle in Zwangsumlauf gebracht wird, trägt die durch die Brennstoffelemente erzeugte Wärme in geschlossenem Umlauf zu dem Wärmeaustauscher.

Es ist bekannt, daß unter dem Einfluß ionisierender Strahlung eine chemische Reaktion zwischen dem Graphit und dem Kohlendioxyd ablaufen kann, welche zu einem Substanzverlust an Graphit führt. Bei einem Hochleistungsreaktor könnte das Auftreten dieser unkontrollierten Reaktion zu einem schweren Verlust an Moderatorwirkung während der Reaktorlebensdauer zusammen mit einem Verlust an Strukturfestigkeit führen. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Reaktion zu verhindern.

Nuclear Engineering, Mai 1957, S. 187, und die französische Patentschrift 1 230 979 beschreiben ebenfalls ein Verfahren zur Verhinderung dieser Reaktion, welches darin besteht, daß Kohlenmonoxyd in dem Kohlendioxyd-Kühlmittel im Bereich von 0,5 bis 10 Volumprozent zugesetzt wird. Der Zusatz von Kohlenstoffmonoxyd kann jedoch Kohlenstoffablagerung in dem Kühlmittelumlauf außerhalb des Reaktors zur Folge haben. Aus der französischen Patentschrift 1278 219 ist bekanntgeworden, die Reaktion durch Wasserstoffzusätze zu verhindern. In solchem Falle ist es jedoch wiederum erforderlich, den in dem Kühlmittel gebildeten Wasserdampf auszuscheiden, was einen zusätzlichen Aufwand mit sich bringt.

Diese Nachteile werden dadurch vermieden, daß erfindungsgemäßdemKohlendioxyd-KühlmittelSchwefel und/oder Jod in elementarer Form oder als Verbindung zugesetzt werden, was den erheblichen Vorteil mit sich bringt, die Reaktion zwischen dem Graphit-Moderator und dem Kühlmittel zu inhibieren, ohne daß Ablagerungseffekte der vorerwähnten Art in Kauf genommen werden müssen und daß ferner auch im Falle von Kohlenmonoxyd enthaltender Kohlendioxydmittel Reaktionsablagerungen vermieden werden.

Die bevorzugte Zugabe im vorliegenden Fall ist entweder Schwefeldioxyd oder Jod in elementarer Form.

Verfahren zur Inhibierung von Reaktionen zwischen dem Graphit-Moderator und dem Kohlendioxyd-Kühlgas eines Atomkernreaktors

Anmelder:

United Kingdom Atomic Energy Authority, London

Vertreter:

Dr. M. Eule, Dr. W. Berg und Dipl.-Ing. O. Stapf, Patentanwälte, München 2, Hilblestr. 20

Als Erfinder benannt:

Michael Tomlinson, Pinawa, Manitoba (Kanada); Robert Lind, London

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 14. November 1962 (43 145)

Dabei wird eine Unterscheidung gemacht zwischen der Natur der Zugabe bei Einführung in das Kühlmittel und der Kühlmittelzubereitung, welche aus der Zugabe während der Arbeit des Reaktors sich ergibt. Es ist klar, daß bei Einführung die Zugabe eine Verbindung sein kann, welche sich während des Betriebes zersetzt. Es ist dabei zu beachten, daß die in dem Kühlmittel gehaltene Zugabemenge zwischen festgelegten Grenzen im Bereich bis zu 5 Volumprozent gehalten wird.

Das Kühlmittel kann auch aus Kohlendioxyd, einer Menge Kohlenmonoxyd im Bereich von 0,5 bis 10 Volumprozent und einer Zugabe bestehen, die Schwefel und/oder Jod enthält. Unter der Annahme, daß durch das Verfahren gemäß der Erfindung nicht die vollständige Verhinderung der Reaktion des Kohlendioxyds mit dem Graphit ermöglicht wird, kann mit einer gewissen Vergasung des letzteren unter Bildung von »selbsterzeugtem« Kohlenmonoxyd gerechnet werden, um wenigstens zu dem erforderlichen Anteil von Kohlenmonoxyd im Kühlmittel beizutragen.

Es ist selbstverständlich möglich, daß die Gleichgewichtskonzentration an selbstgebildetem Kohlenmonoxyd, bei welcher die Verhältnisse an Verlust und Bildung ausgeglichen werden, höher als erforderlich sein kann, und in diesem Fall können regulierende Berichtigungen, beispielsweise durch Verwenden einer Kühlmittel-Oxydationstechnik, erforderlich sein, um die Monoxydkonzentration zu verringern.

609 747/263

Claims (5)

Für die Anfangszeitdauer der Arbeit des Reaktors mit einer neuen Beschickung von Kohlendioxyd-Kühlmittel, d. h. bevor die Gleichgewichts-Monoxyd-Konzentration erreicht wird, kann es erforderlich sein, daß Kohlenmonoxyd zugegeben wird. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird daher ein Gemisch von Kohlenmonoxyd, zusammen mit einer Zugabe, welche Schwefel und/oder Jod enthält, in das Kohlendioxyd-Kühlmittel eingeführt. Das Kohlenmonoxyd kann dabei in bekannter Weise durch Leiten von Kohlendioxyd über erhitzte Holzkohle oder ähnliches kohlenstoffhaltiges Material erzeugt werden. Eine solche Zubereitung enthält Spuren von Verunreinigungen, zu denen eine Schwefelverbindung zählt. Durch die folgenden Beispiele wird das Verfahren gemäß der Erfindung erläutert. Beispiel 1 Eine Probe Graphit, ähnlich derjenigen, welche für Kernreaktoren-Moderator-Strukturen verwendet wird, wurde reinem Kohlendioxyd bei einem Druck von ungefähr 38,7 kg/cm2 und einer Temperatur von 140° C einem Neutronenstrom ausgesetzt, der bei dem Gas ein Energie-Graphitverlust-Verhältnis im Bereich von 100 mW/g verursachte. Eine ähnliche Probe wurde dann in gleicher Weise in Kohlendioxyd behandelt, welchem ungefähr 2 Volumprozent Schwefeldioxyd zugegeben war. Es zeigte sich, daß in Anwesenheit der Zugabe das Ausmaß der Reaktion um einen Faktor von zwischen V6 und V15 verringert worden war. Beispiel 2 Unter denselben Bedingungen wie im Beispiel 1 wurde eine Graphitprobe Kohlendioxyd ausgesetzt, dem ungefähr 1,25 Volumprozent Jod zugegeben wurde. Es wurde eine Verringerung des Reaktionsverhältnisses um einen im gleichen Bereich liegenden Faktor beobachtet. Beispiel3 In diesem Falle wurde eine gleiche Probenart, anfangs reinem Kohlendioxyd unter Bedingungen, die ein Energie-Graphitverlust-Verhältnis in dem Gas im Bereich von 160 mW/g ergaben, einer Temperatur bei 350° C und einem Druck von 14,8 kg/cm2 ausgesetzt. Das ursprünglich reine Gas wurde dann durch eine vorgemischte Zubereitung ersetzt, welche nach Analyse .5,9 Volumprozent Kohlenmonoxyd, 50 pro Million Gewichtsteile Schwefel und Verunreinigungsspuren, wie Sauerstoff (14), Stickstoff (2,8), Wasserstoff (10), Methan (weniger als 5) und Wasser (400) enthielt. Das . Reaktionsverhältnis fiel· auf annähernd Y10 des Verhältnisses, das bei reinem Koblendioxyd beobachtet wurde. Beispiel 4 Unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 3 wurde das anfangs reine Kohlendioxyd durch ein Gemisch von Kohlendioxyd mit Kohlenmonoxyd ersetzt, wobei das Monoxyd durch Leiten von Dioxyd über erhitzte Holzkohle in einem Ofen erhalten wurde und das Gemisch nach Analyse 7,2 Volumprozent Kohlenmonoxyd, 100 Gewichtsprozent pro Million Schwefel und Verunreinigungsspuren, wie Stickstoff (670), Wasserstoff (1100), Methan (30) und Wasser (etwas über 1000) enthielt. Das Reaktionsverhältnis fiel auf annähernd Vio des Verhältnisses, das bei reinem Kohlendioxyd beobachtet wurde. Zieht man in Betracht, daß durch Neutronenbestrahlung chemische Verbindungen zersetzt werden, so ist eine große Vielzahl von Verbindungen geeignet, den erforderlichen Schwefel- oder Jodgehalt zu schaffen. Als Beispiel der Herstellung im letzteren Sinn können ίο 1,1-Dijodäthan oder ähnliche Verbindungen angegeben werden, welche eine Vielzahl von Jodatomen, die an dem gleichen Kohlenstoffatom befestigt sind, aufweisen. Die Auswahl ist jedoch durch Rücksichtnahme darauf begrenzt, ob andere Zerfallsprodukte in is dem Reaktor annehmbar sind, wobei zusätzliche Kriterien, wie beispielsweise der Neutronenabsorptionsquerschnitt und die Verträglichkeit mit den Konstruktionsmaterialien, die dem Kühlmittel ausgesetzt sind, eine wesentliche Rolle spielen. Da die Verzögerung in der Weise vom Beispiel 4 von dem Gehalt an Verunreinigungen abhängig ist, haben sich einige Holzkohlenarten wirksamer als andere erwiesen. Der im Beispiel 4 verwendete Typ wurde aus Kohle erhalten. Im Vergleich mit beispielsweise Kokosnußholzkohle sind die durch Analyse festgestellten Verunreinigungen bei Kohlen-Holzkohle im allgemeinen in größerer Konzentration vorhanden. Im Ofen wird die Holzkohle in herkömmlicher Weise mit dem Kaliumcarbonat-Katalysator verwendet. Um eine außerhalb des Reaktors befindliche Steuerung über die Kohlenmonoxydmenge und die vorhandene Zugabe in dem Kühlmittel zu schaffen, muß eine Einbringvorrichtung und ein Überwachungsgerät zum Analysieren der entsprechenden Konzentration vorhanden sein. Die Einbringung kann natürlich kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen. Patentansprüche :

1. Verfahren zur Inhibierung der Reaktion zwi-' sehen dem Graphit-Moderator und dem Kohlendioxyd-Kühlgas eines Kernreaktors durch Beimischung einer gesteuerten Menge eines Zusatzstoffes zum Kühlmittel, dadurch gekennzeichnet, daß Schwefel und/oder Jod in elementarer Form oder als Verbindung zugesetzt werden.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kühlmittel zusätzlich in an sich bekannter Weise Kohlenmonoxyd im Bereich von 0,5 bis .10 Volumprozent zugesetzt wird,

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kühlmittel die Zusatzstoffe im Gemisch mit CO zugeführt werden,

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kühlmittel Schwefeldioxyd und/oder Jod kontinuierlich zugeführt werden.

5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kühlmittel die Zusatzstoffe im Bereich bis zu 5 Volumprozent zugesetzt werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschriften Nr. 1278219, 1230979; Nucl. Engineering, Mai 1957, S. 187.

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