DE1464625A1

DE1464625A1 - Hochtemperatur-Kernreaktor

Info

Publication number: DE1464625A1
Application number: DE19621464625
Authority: DE
Inventors: Nils Fredrick Wikner
Original assignee: Gulf General Atomic Inc
Current assignee: Gulf General Atomic Inc
Priority date: 1961-08-02
Filing date: 1962-07-25
Publication date: 1969-01-09
Also published as: NL281596A; AT245125B; CH406456A; US3137636A; BE620998A; DE1464625B2; GB978176A

Description

Dipl-Ing.F.Weickmann, Dr. Ing. A.Weickmann, Dipl-Ing. H.Weickmann D1PL.-PHYS. Dr. K. Fincke Patentanwälte * 4 R 4 β 2

MÖNCHEN, BKUNNSTILASSE S α. 7, RUFNUMMER. 221604 ο. 29907»

General Dynamics Corporation, 1 Rockefeller Plaza, New York

N.Y./USA

H ochtemperatur - Kernreaktor,

Die Erfindung befasst sich mit Hochtemperatur-Kernreaktoren, insbesondere mit einem Hochtemperatur-Kernreaktor, der eine verbesserte Sicherheitscharakteristik hat.

Der erfindungsgemäfie Hochtemperatur-Kernreaktor mit einem reaktiven Kern, der innig mit einem Moderatormaterial vermischten Brennstoff enthält, mit einem Reflektor, der den Kern umgibt und mit Mitteln zur Steuerung der Reaktivität des Reaktors ist dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel Neutronen absorbierendes, bei erhöhten Temperaturen chemisch stabiles und mit anderen Komponenten des Reaktors verträgliches Material aufweisen, das sich im Reaktorkern befindet und thermische Resonanabanden bei einer Temperatur oberhalb 1200⁰C hat und das in einer Menge vorliegt, die ausreicht, um einen im wesentlichen prompten negativen Beitrag zum

-2-809902/0454

Temperaturkoeffizienten der Reaktivität des Reaktors bei Temperaturen oberhalb 1200⁰C derart zu liefern, daß die Sicherheitscharakteristik des Reaktors verbessert wird»

Zur Aufrichtung einer Kettenreaktion in einem Kernreaktor muss jedes Nukleid in dem Reaktorkern, das ein Neutron einfängt, und sich spaltet, im Mittel wenigstens ein Neutron erzeugen, das seinerseits eine Spaltung eines anderen Nukleids im Reaktor hervorruft. Eine zweckmäßige Weise zur Formulierung dieser Bedingung erfolgt dadurch, daß man einen effketiven R$produktions- oder Multiplikationsfaktor K_eff durch das Verhältnis der Anzahl der durch Spaltung in irgendeiner Generation erzeugten Neutronen zur Anzahl der entsprechenden Neutronen in der vorangehenden Generation deffinierto Der Reaktor wird kritisch genannt, wenn der effektive Multiplikationsfaktor eins ist, so daß eine Kettenreaktion bei einer konstanten Spaltungsrate und einem vorgegebenen Leistungspegel aufrecht erhalten wird» Überschreitet der effektive Multiplikationsfaktor did Zahl eins, so wird das System überkritisch genannt, unterschreitet er eins, so wird das System unterkritisch genannt.

Ferner ist es zweckmäßig, die Charakteristik eines Kernreaktors durch seine Reaktivität P auszudrücken. Diese Reaktivität wird deffiniert durch die Beziehung

eff - ¹ [l]

K.

^K
^:eff

Ein Überschuss an Reaktivität ist in einem Reaktor notwendig,

809902/0454

um ihn auf den gewünschten Betriebs-Leistungspegel hochzubringen und ebenfalls um den Aufbau von thermische Neutronen absorbierenden Materialien in dem System zu kompensieren.

Wenn der Spaltvorgang voranschreitet, sammeln sich Spaltprodukte, die thermische Neutronen absorbieren in dem System, wodurch die Reaktivität des Systems gemindert wird» Der Grad der anfänglich in dem Reaktor erforderlichen Überschuss-Reaktiviätt hängt von vielen Faktoren ab» Bei Hochleistungs-Reaktoren, wie etwa gasgekühlten Hochtemperatur-Graphit-Reaktoren u.dgl. ist eine beträchtliche Überschuss-Reaktivität nützlich.

Es ist jedoch erforderlich, die Überschuss-Reaktivität sicher zu steuern. Erhält ein Reaktorsystem plötzlich eine Überschuss-Reaktivität, so steigt die Leistung des Reaktors an. Wird sie nicht kontrolliert, so kann eine heftige Zunahme der in dem System erzeugten Wärme geschehen und dementsprechend eine Beschädigung des Reaktors und eine Schädigung des BetriebspersonalSo Um ein solches Geschehnis zu verhüten, ist es üblich, gewisse Sicherungsvorkehrungen zu treffen. In dem Reaktor befinden sich Steuerstäbe, die thermische Neutronen abBorbierendes Material oder sog. Gifte enthalten. Die Steuerstäbe können je nach Bedarf in den Reaktor eingeführt oder aus ihm herausgezogen werden, um den Leistungspegel des Reaktors zu steuern.

Es sind die verschiedensten verbrennbaren Gifte zur Verwendung in einem Kernreaktor vorgeschlagen worden, die den Aufbau von Spaltproduktgiften in dem System kompensieren. Es können solche brennbaren Gifte dem Reaktorsystem zugegeben werden, um eine

809902/04 54

Kompensation hoher Anfangsüberschuss-Reaktivität, die in dem System erforderlich ist, zu kompensieren. Die Konzentration verbrennbarer Gifte, die anfänglich dem Reaktor beigegeben werden, ist derart, daß die verbrennbaren Gifte im Reaktor mit einer Rate verbrannt werden, die vergleichbar zur Rate des Aufbaus der Spaltprodukt-Gifte während des Betriebs des Reaktors ist»

Um zu verhüten, daß der Leiöbungspegel eines Reaktors einen gewissen Sicherheitspegel überschreitet, ist es wünschenswert, verbesserte Mittel zur Steuerung der Überschuss-Reaktivität vorzusehen, insbesondere in Hochtemperatur-Hochleistungs-Kernreaktoren in Anbetracht der relativ großen Überschuss-Reaktivität, die in solchen Systemen erforderlich sein kann»

Gasgekühlte Hochtemperatur-Kernreaktoren sind besonders attraktiv, da sie die Möglichkeit bieten, bei hohen Temperaturen den thermischen Wirkungsgrad des Wärmeübergangs vom Reaktorkern zum Kühlmittel zu erhöhen.Solche Hochleistungs-Reaktoren können also mit besonders günstigem Wirkungsgrad betrieben werden.

Um einem Reaktor die gewünschte Sicherheitsoharakteristik zu geben, ist es wünschenswert, daß die Reaktivität des Reaktors abnimmt, wenn die Reaktortemperatur ansteigt, insbesondere bis über die normale Betriebstemperatur des Reaktors· Bin solcher Reaktor hätte dann einen negativen Temperaturkoeffizieteh der Reaktivität. Steigt statt dessen die Reak-

-5-' 809902/0454

tivität des Reaktors mit zunehmender Temperatur an, so würde er einen positiven Temperaturkoeffizieien der Reaktivität haben.

Hat ein Reaktor einen hinreichend großen prompten, negativen Temperaturkoeffizienten der Reaktivität , so kann er den Reaktor vor einem übermäßigen oder schädigenden Leistungsanstieg bewahren, wenn die gesamte Überschuss-Reaktivität im Reaktor plötzlich herabgesetzt wird. Der Reaktor ist dann hinreichend sicher· Bin prompter Temperaturkoeffizient bedeutet, daß man nicht den Fluß der Reaktorwärme von einer Region im Reaktor zu einer anderen zu Hilfe nehmen mass, damit der Temperaturkoeffizient wirksam wird.

Die meisten, thermische neutronen absorbierenden Materialien, oder Gifte, die einen prompten negativen Temperaturkoeffizienten der Reaktivität im Reaktor herbeiführen können, sind nur in begrenzter Weise brauchbar. Beispielsweise sind einige Gifte bei erhöhten Temperaturen chemisch instabil oder sie sind mit anderen Komponenten des Kernreaktors unverträglich. Andere Gifte sind nur bei rela&jfv niedrigen Temperaturen unterhalb der normalen" Betriebetemperatur eines Hochtemperatur-Reaktors brauchbar, der beispielsweise mit einer Brennstofftemperatur von etwa 1200⁰C oder etwa 1475⁰K läuft.

Es ist ferner wiohtig bei der Auswahl thermische Neutronen absorbierender Materialien, die einen prompten negativen Beitrag zum Temperaturkoeffizienten der Reaktivität des Reaktors bei erhöhten Temperaturen liefern können, Vorzeichen und Größe des

809902/045 4

—6—

Beitrags zum Temperaturkoeffizienten der Reaktivität des Reaktors bei Temperaturen zu bestimmen, die beim Ingangsetzen des Reaktors und bei normalen Betriebstemperaturen des Reaktors auftreten. Die Temperaturen beim Ingangsetzen des Reaktors liegen dabei unterhalb der normalen Betriebstemperatur des Reaktors. Es ist ferner wünschenswert, daß diese Neutronen absorbierenden Materialien nicht eine große Anzahl von Neutronen bei oder unterhalb der Betriebstemperatur des Reaktors einfangen, 30 daß sie die Neutronenwirtschaftlichkeit des Reaktors nicht beeinträchtigen.

Es sind gewisse, Neutronen absorbierende Gifte, die dem Reaktor in überwachten Konzentrationen zugegeben werden, vorgeschlagen worden, um die Sicherheitscharakteristiken von Hochtemperatur-Kernreaktoren zu verbessern, d.h. von Reaktoren, die Betriebstemperaturen oberhalb etwa 1200⁰G haben. Die Erfindung schafft einen Hochtemperatur-Kernreaktor mit verbesserten Sicherheitsacharakteristiken.

Insbesondere gibt die Erfindung Hochtemperatur-Kernreaktoren vorzugsweise graphitmoderierte Hochtemperatur-Kernreaktoren verbesserter Sicherheitscharakteristiken an_o Das trifft insbesondere für Hochtemperatur-Kernreaktoren zu, die bei Temperaturen arbeiten, die Brennstofftemperatüren von etwa 1200⁰C entsprechen. Die Erfindung erteilt dabei der Reaktivität solcher Reaktoren einen großen prompten negativen Temperatur-

-7-

809902/0454

koeffizienten. Ferner gibt die Erfindung einem Hochtemperatur- ' Kernreaktor einen prompten negativen Temperatttfrkoeffizienten der Reaktivität bei Temperaturen, die oberhalb der Betriebstemperatur des Reaktors liegen, so daß die Sicherheitscharakteristiken des Reaktors verbessert werden.

Die Erfindung schafft ferner verbesserte Brennstoffelemente für einen Hochtemperatur-Kernreaktor, die Mittel enthalten, mit denen dem Kernreaktor ein großer prompter negativer Temperaturkoeffizient der Reaktivität bei Temperaturen zu geben ist, die oberhalb der normalen Betriebstemperatur des Reaktors liegen.

Ferner schafft die Erfindung einen Hochtemperatur-Kernreaktor, bei dem ein wesentlicher negativer Beitrag zum Temperaturkoeffizienten der Reaktivität nur bei erhöhten Temperaturen vorliegt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Figuren.

Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines Teils eines Brennstoffelements für einen graphitmoderierten Hochtemperatur-Reaktor, das geeignete Neutronen absorbierende Materialien enthält, mit denen die Sicherheitscharakteristiken des Reaktors zu verbessern sind. Teile des Brennstoffelements sind fortgebrochen, um seinen Innenaufbau zu zeigen.

809902/0454

-8-

• Figur 2 zeigt eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des totalen Temperaturkoeffizienten der Reaktivität von der Temperatur bei drei Ausführungsformen eines graphitmoderierten Hochtemperatur-Reaktors. Aus dieser graphischen Darstellung ist der Effekt erkennbar, den die verbesserte Sicherheitscharakteristik nach der Erfindung lieferte

Figur 3 zeigt eine graphische Darstellung des Nutzkoeffizienten einer Ausführungsform eines graphitmoderierten Hochtemperatur-Reaktors in Abhängigkeit von der Temperatur, dem verbesserte Sicherheitsoharaktiristiken nach der Lehre der Erfindung erteilt sind.

Figur 4 zeigt eine graphische Darstellung des Nutzkoeffizienten einer weiteren Ausführungsform eines graphitmoderierten Hochtemperatur-Reaktors in Abhängigkeit von der Temperatur, dem verbesserte Sicherheitscharakteristiken nach der Lehre der Erfindung erteilt sind.

Figur 5 zeigt eine graphische Darstellung des Nutzkoeffizienten einer weiteren Ausführungaform eines graphitmoderierten Hochtemperatur-Reaktors in Abhängigkeit von der Temperatur, dem verbesserte Sicherheitscharakteriettiken nach der Lehre der Erfindung erteilt sind.

Die Erfindung gibt ein Verfahren an, mit dem die Sicherheit»- charakteristiken eines Kernreaktors, insbesondere eines graphitmoderierten Hochtemperatur-Reaktore zu verbessern sind.

809902/0454

Die Erfindung lehrt, in den Reaktor gewisse thermische Neutronen absorbierende Gifte in einer Menge einzuführen, die ausreicht, um für den Reaktor einen im wesentlichen prompten negativen Beitrag zum Temperaturkoeffizienten der Reaktivität des Reaktors bei erhöhten Temperaturen zu liefern»Die Gifte sind bei erhöhten Temperaturen chemisch stabil und mit anderen Komponenten des Reaktors verträglich. Darüberhinaus beeinträchtigen sie nicht wesentlich die Heutronenwirtschaftlichkeit des Reaktors bei normaler Betriebstemperatur.

Die Vorteile, die sich durch die Verwendung der genannten Neutronen absorbierenden Materialien oder Gifte in dem Reaktor nach der Lehre der Erfindung ergeben, werden durch die folgende Diskussion ersichtlich.

In einem Kernreaktor kann der MuMplikationsfaktor K wie folgt geschrieben werdens

[2]

wo ο die mittlere Anzahl der Spaltspektrum-Neutronen ist, die bei thermischer Absorbtion in dem Brennstoff erzeugt werden j wo f das Verhältnis der Anzahl der thermischen Neutronen, die in dem Brennstoff absorbiert sind zur Gesamtanzahl der thermischen Neutronen iet, die durch irgendeinen Prozess absorbiert werden? wo ρ der Anteil der Quellenneutronen ist, die thermische Energien erreichen, also die Neutronen erfasst, die nioht aus dem Reaktorkern als schnelle Neutronen mit Energien oberhalb 1.9 ev entschlüpfen und die auch dem Resonanzeinfang im Reaktor entschlüpfen

809902/0454

wo £ das Verhältnis der Gesamtanzahl der Spaltungen zur Anzahl der thermischen Spaltungen ist und wo P_m und P₁, die

1 Jj

Wahrscheinlichkeiten für das Nichtentschlüpfen thermischer bzw. schneller Neutronen ist. Der totale Temperaturkoeffizient der Reaktivität des Reaktors ist durch den Differentialquotienten der Gleichung 2 nach der Temperatur deffiniert* Man erhält:

1-κ « ι ££ + ι Jf + ι at +ι Jj£ + ι 3^χτ + ι

Es wurde gefunden, daß bei graphitmoderierten Hochtemperatur-Reaktoren der Koeffizient 1 ^P und 1 ^T zu allen Zeiten bei

p Ft p T

allen Moderatortemperaturen negativ sind; der Koeffizient 1 }>iJ kann jedoch beide Vorzeichen annehmen. Er ist negativ beim Beginn der Betriebslebensdauer des Reaktors, wenn nur einer der hauptsächlichen Brennstoffe vorliegt. Er ist jedoch in der Regel positiv für jede Mischung von Uran-233, Uran-235 und Hu.tonium-239. Bei graphitmoderierten Hochtemperatur-Reaktorsystemen ist der Koeffizient 1 ££ stets positiv, da der Anteil der Anzahl der thermischen Spaltungen mit zunehmender Temperatur abnimmt. Allgemein i3t 1 ^F der Koeffizient für

die Nichtentschlüpfungswahrscheinlichkeit schneller Neutronen auch positiv. Zur Änderung des Vorzeichens oder der Größe von 0,6, und P₅, -Koeffizienten kann wenig getan werden, da aie durch die Nukleideigenschaften der Brennstoffe und durch Details des Hußspektrums bestimmt sind, das seinerseit-s durch die Zusammensetzung des Reaktors bestimmt ist_e

809902/0454

—11-

Es ist äusserst wünschenswert einen oder mehrere der Termen des Temperaturkoeffizienten der Reaktivität derart zu beeinflussen, daß sich ein totaler negativer Temperaturkoeffizient der Reaktivität des Reaktors bei Temperaturen oberhalb seiner normalen Betriebstemperatur ergibt.

Es wurde gefunden, daß dies erreicht werden kann, wenn man die einzelnen Beiträge der thermische Neutronen absorbierenden Substanzen in dem Reaktorsystem im Sinne einer Beeinflussung des f Koeffizienten, also 1 }f in Gleichung 2 (allgemein

als Nutzkoeffizient bezeichnet) steuert« Ein Einbau eines gewissen Giftes in das Reaktorsystem kann beträchtlich das Vorzeichen und die Größe des Nutzkoeffizienten beeinflussen und damit auch Vorzeichen und Größe des totalen Temperäurkoeffizienten. Es ist möglich den negativen Temperaturkoeffizienten des Reaktors durch Einflussnahme auf den Nutzkoeffizienten zu vergrößern, wenn eine beträchtliche Menge des Moderators in ihm mit dem Brennstoff vermischt wird« In diesem Falle führen Temperaturänderungen der Brennstofftemperatur zur prompten Änderung in der Energieverteilung der thermischen Neutronen, woraus sich wiederum prompte negative Beiträge zur Reaktivität ergeben, wenn entsprechende Gifte mit hohen thermischen Resonanzen bei thermischen Energien, d.h. oberhalb etwa 0,3 eV vorhanden sind.

Drei Gifte sind besondere zur Beeinflussung des Nutzkoeffizienten in einem Hochtemperatur-Reaktor wirksam und fähig, dem System einen totalen, negativen Temperaturkoeffizienten der Reaktivität in dem gewünschten Temperaturbereich zu geben,

809902/0454

Diese drei thermische Neutronen absorbierenden Materialien sind die folgenden: Plutonium-240, Rhodium-103 und Erbium-167. Jeder dieser drei Neutronenabsorber oder Gifte ist ohne weiteres erhältlich und hat gewisse vorteilhafte Eigenschaften· Alle drei dieser Neutronenabsorber sind bei erhöhter Temperatur über der normalen Betriebstemperatur eines Hochtemperatur-Reaktors, beispielsweise oberhalb 1200⁰G chemisch stabil und alle drei sind mit Graphit und anderen Komponenten eines graphitmoderierten

P Hochtemperatur-Reaktors verträglich. Jeder dieser drei Neutronenabsorber liefert einen großen prompten negativen Beitrag zum Temperaturkoeffizienten der Reaktivität bei Temperaturen oberhalb 1200°C· Der Beitrag zur Reaktivität bei niederen Temperaturen ist entweder positiv oder hinreichend niedrig, so daß die Heutronenwirtschaftlichkeit bei normalen Betriebstemperaturen solcher Reaktoren nicht wesentlich durch die genannten Neutronenabsorber beeinträchtigt wird» Die angegebenen Neutronenabsorber können einzeln oder in irgendeiner Mischung verwendet werden

ι und sie können gleichmäßig auf jede gewünschte Vielzahl von Stellen im Reaktor verteilt werden.

Es kann zweckmäßig sein, die Neutronenabsorber direkt in die Brennstoffelemente einzubauen oder in die Brennstoffkompaktkörper des Reaktors. Die Neutronenabsorber können auch in anderer Weise und an anderen Stellen des Reaktors verteilt werden, wie etwa im Moderator ausserhalb der Brennstoffelemente· Wird der Neutronenabsorber innerhalb des Brennstoffβ verteilt, damit er unmittelbar der Temperatur des Brennstoffs folgt,

-13-

809902/045 4

ao liefert eine Doppler-Verbreiterung des thermischen Resonanzbandes des Absorbers einen breiteren Beitrag zum prompten negativen Temperaturkoeffizienten der Reaktivität.

Wird Moderatormaterial in einem Brennstoffelement eingeschlossen, so kann das Neutronen absorbierende Material falls gewünscht in diesem Moderatormaterial verteilt werden· Als AusführungBbeispiel ist ein Brennstoffelement 9 für einen graphitmoderierten Hochtemperatur-Eeaktor, das Neutronen absorbierendes Material nach der Lehre der Erfindung enthält in Figur 1 dargestellt· Das Brennstoffelement kann in einem gasgekühlten Hochtemperatur-Reaktor verwendet werden, wie in der US Patentschrift 23,341 vom 19.April I960 beschrieben.

Das Brennstoffelement 9 weist einen rohrförmigen Aussenbehälter 11 auf, der aus Neutronen moderierendem Material besteht, welches eine geringe Permeabilität gegenüber Spaltprodukten hat· Vorzugsweise besteht der Behälter 11 aus einem nMerpermeablen Graphit« Innerhalb des Behälters sind eine Mehrzahl im wesentlichen zylindrischer Brennstoffkompaktkörper 13 untergebracht. Diese Kompaktkörper bestehen aus einer homogenen Mischung aus Graphit, Brennstoff und Brutstoffmaterial· Die Permeabilität des Graphitbehälters kann beispielsweise gegenüber Helium bei Zimmertemperatur etwa 1 χ io""5 cm²/3ek. betragen. Eine solch niedere Permeabilität drosselt hinreichend die Abwanderung von Spaltprodukten·

-14-809902/0454

Die Brennstoffkompaktkörper 13 sind, wie Fig. 1 zeigt ringförmig und auf einem länglichen, vertikalen mittleren Dorn 15 aus Neutronen moderierendem Material, wie etwa aus Graphit, aufgestapelt. Das Brennstoffelement wird innerhalb des nicht dargestellten Reaktorkerns durch einen Ständer getragen, dessen Stiel 19 in Figur 1 dargestellt ist. Mehrere vertikal liegende Brennstoffelemente sind nahe aneinander innerhalb eines nicht dargestellten Reaktortankes angeordnet und von einem gasförmigen Kühlmittel wie etwa Helium umgeben. In einem gasgekühlten Hochtemperatur-Reaktorsystem, wie es in der oben genannten Patentanmeldung beschrieben ist, haben die Brennstoffelemente eine normale Betriebstemperatur von etwa 1200⁰C, können aber auch bei Temperaturen von 1500⁰C oder mehr arbeiten.

Das Brennstoffelement 9 kann entsprechend der Erfindung gewisse Mengen von einem oder mehreren bestimmten Neutronenabsorbern enthalten, die gleichmäßig in jedem Brennstoffkompaktkörper 13 verteilt sind. Wie schon angedeutet, 4 kann das Neutronen absorbierende Material aber auch gleichmäßig innerhalb des zentralen Doms 15 aus Neutronen moderierendem Material verteilt sein oder an anderen Stellen innerhalb oder ausserhalb der Brennstoffelemente im Reaktorkern,

Die Verteilung des Neutronen absorbierenden Materials innerhalb der Kompaktkörper kann beispielsweise während der Herstellung der Kompaktkörper vorgenommen werden. Die Kompakt-

809902/0454

1464626

körper können also aus einer bestimmten Mischling aus Graphit oder anderen geeigneten, bei hoher Temperatur thermische Neutronen moderierendem Material mit Keutronenabsorbierendem Material und einem Kernbrennstoff hergestellt sein , also einem spaltbaren Material oder einer Mischung von spaltbarem Material und von Brutstoffe Beispielsweise kann jeder Brennstoffkompaktkörper die Form eines Rings haben, der aus einer Mischung von Graphit, Uranium-235 und Uranium-238 unter Zugabe des ausgewählten Neutronen absorbierenden Materials in gewisser Konzentration, die von vornherein eingeführt wurde, hergestellt ist«

Auch kann Plutcri.um-240 in situ in dem Brennstoff der Brennstoffelemente in hinreichender Konzentration gebildet werden, so daß er dem Reaktor einen prompten negativen Temperaturkoeffizienten der Reaktivität gibt. Dies kann dadurch erreicht werden, daß man eine hinreichende Konzentration von Uranium_238 in den Brennstoff aufnimmt„ Während des Betriebs des Reaktors gehen folgende Reaktionen zur Erzeugung von Plutonium-240 vorsieh; ü²³⁸ + η -^

_Π239 -* β ₊ jj 239

+ Ρ*"²³⁹

Da Plutonium-240 eine relativ rasche Ausbrennrate hat, ist ee wünschenswert, fortlaufend wenigstens einen Teil

-16-

809902/0454

des Plutoniums-240 in der genannten Weise aus Uranium-238 zu erzeugen, um sicherzustellen, daß der Reaktor über seine Gesamtlebensdauer einen negativen Temperaturkoeffizienten der Reaktivität hat.

Parameter eines typischen moderierten Hochtemperatur-Reaktors, der mit den beschriebenen Brennstoffelementen versehen ist, sind in der folgenden Tabelle I zusammengestellt:

809902/04

-17-TAB ELLE I

^2^Si2£^2-P5$2S-.i2i-2i222_S§2S2^^1i25 Hochtemgeratur-Eeaktor_x

Beaktorleistung

Effektiver Kerndurchmesser Aktive Kernhöhe

Anzahl der Brennstoffelemente Anzahl der Steuerstäbe Anzahl der Sicherheitsabsperrstäbe Anfängliche Brennstoffbeladung

Anfängliche Thorium-Beladung Anfängliche Beladung mit verbrennbarem Borgift

Anfängliche Bhodium-Beladung C/Th/U Atomverhältnie 696 Brennstoffelemente mit

108 Brennstoffelemente mit (Außenringe)

Mittlere Moderatortemperatur

Mittlere Temperatur der Brennstoff Kompakt-Körper

Maximale Temperatur der Brennstoff Kompakt-Körper

Anfänglicher ELuß thermischer Neutronen Anfänglicher totaler Neutronenfluß Anfängliches KonversionsverhältniB Mittleres Konversionsverhältnis Endkonversionsverhältnie

Brennstofflebensdauer bei voller Leistung

MW thermische Energie 274,8 cm ( 9.16 ft) cm (7.5 ft) 804

184,8 kg angereichertes üraniui 173,3 kg U-235

1987 kg (

950 g 5 kg

2126C/9.57Th/l.OÜ

35110/15.94Th/l.OÜ 900⁰C

1200⁰C

150O⁰O 4.01 χ 10¹⁵ 16.55 x 10¹⁵ 0,563 0,612 0,704

900 Tage,

-18-

809902/0454

Der totale Temperaturkoeffizient am Ende der Reaktorlebensdauer für 3ede der drei AuafUhrungsformen des angegebenen Reaktors ist in Figur 3 dargestellt. Kurve A in Figur 2 zeigt den totalen Temperaturkoeffizienten des Reaktors, wenn er keine Anfangsbeladung mit Rhodium oder anderem Neutronen absorbierendem Material nach der Lehre der Erfindung enthält und wobei als Brennstoff etwa 7 Atomprozent Uranium-238 und etwa 93 Atomprozent Uranium-235 verwendet ist. Der totale Temperaturkoeffizient ist, wie die Kurve A zeigt, am Ende der Reaktorlebensdauer etwa negativ. Er ist jedoch nur sehr gering negativ im Temperaturbereich von etwa 1000⁰K bis etwa 3000⁰K,

Kurve B in Figur 2 zeigt den gleichen Reaktor, der auch die Kurve A geliefert hat, jedoch mit einer Anfangsbeladung mit Rhodium-103 ( 5 kg am Beginn des Reaktorbetriebs und einer Gleichgewichtsmasse von 3 kg am Ende der Reaktorlebensdauer). Aus dem Vergleich der Kurven A und B der Figur 2 ist klar ersichtlich, daß die Zugabe von Rhodium-103 zum Kernreaktor den negativen Temperaturkoeffizienten des Reaktors erhöht.

Kurve C bezieht sich auf eine dritte Ausführungsform des Reaktors, in dem die gleiche Menge von Rhodium-103 vorgesehen ist wie bei der zweiten Ausführungsform (Kurve B), in dem jedoch der Brennstoff nur 50$ angereichert ist ( 50 Atomprozent üranium-239 und 50 Atomprozent Uranium-235) statt daß eine Anreicherung von 93 Prozent erfolgt. In diesem Fall wird eine beträchtliche Menge von £u-240 in situ in dem Reaktor während seines'Betriebs gebildet. Der negative Temperaturkoeffizient des Reaktors zeigt

809902/0454

sich als noch weiter verbesserte Dies liegt an der Anwesenheit von noch weiteren Mengen sowohl von Plutonium-240 als auch von Rhodium-103. Das Ergebnis zeigt sich klar aus dem Vergleich der Kurve 0 mit den Kurven B und A. Der totale Temperaturkoeffizient, den die Kurve C zeigt, ist wesentlich negativer als derjenige der Kurven A und B, bei Temparaturen oberhalb 1000⁰K.

Die einzelnen Beiträge verschiedener Neutronen absorbierender Materialien zum Nutzkoeffizienten der Ausführungsform des Reaktors, dessen totaler Temperaturkoeffizient in Kurve B in Figur 2 dargestellt ist, ist in Figur 3 wiedergegeben· Wie aus Figur 3 ersichtlich ist, liefern Spaltprodukte wie Xenon-135 und Samarium-149 einen positiven Beitrag zum Nutzkoeffizienten, während Rehodium-103 einen erheblichen negativen Beitrag zum Nutzkoeffizienten liefert, so daß der gesamte Nutzkoeffizient bei Temperaturen oberhalb 1400°K negativ iet und zunehmend negativer wird, wenn die Reaktortemperatur ansteigt.

Figur 4 zeigt den Nutzkoeffizienten der Ausführungsform des Reaktors, dessen totaler Temperaturkoeffizient in Kurve 0 der Figur 2 dargestellt ist. Der totale Nutzkoeffizient, der in Figur 4 dargestellt ist, ist negativ für Temperaturen oberhalb 115O⁰K und wird zunehmend negativer, wenn die Temperatur bis auf 250O⁰K hochsteigt. ISr ist noch negativer als der in Figur 3 dargestellte· In diesem Falle liefert

-20-809902/0454

Plutonium-240, das in hinreichenden Mengen im Reaktor aus einem etwa 50 atomprozentigen Uranium-238 entstanden ist, einen wesentlichen negativen Beitrag zum Nutzkoeffizienten.

Figur 5 zeigt den Nutzkoeffizienten einer vierten Ausführungsform des Kernreaktors, der im wesentlichen identisch ist mit der Ausführungsform, die der Figur 4 entspricht und der Kurve C der Figur 2 entspricht, mit der Ausnahme, daß zusätzlich zu dem Rhodium-103, das in einer Menge von etwa 3 kg vorliegt und einer etwa 50 atomprozentigen Konzentration von Uranium-238 in dem Brennstoff und der sich daraus ergebenden beträchtlichen Konzentration von Plutonium-240, auch Brbium-167 und zwar in einer Menge von 1 kg vorliegt. Der totale Nutzkoeffizient, wie er sich aus Figur 5 ergibt, ist noch negativer als der aus Figur 4 ersichtliche und zwar aufgrund der Zugabe des Erbiums-167. Aus Figur 5 ist ersichtlich, daß Erbium-167 einen negativen Beitrag zum Nutzkoeffizienten zwischen etwa 400⁰K und etwa 2800⁰K liefert. Sein maximaler Beitrag liegt bei etwa HOO⁰K.

Obwohl sich die beigefügten Figuren auf einen bestimmten Typ eines graphitmoderierten Hochtemperatur-Reaktors beziehen, können die angegebenen Neutronen absorbierenden Materialien nach der Lehre der Erfindung auch mit Erfolg in anderen Hochtemperatur-Reaktoren mit anderen Parametern verwendet werden. Die relativen Konzentrationen der ausgewählten Gift·, die

-21-809902/0454

notwendig sind» um einen hinreichend hohen Nutzkoeffizieftgien zu erhalten und um einem vorgegebenen Heaktor einen prompten totalen negativen Temperaturkoeffizienten zu erteilen, hängen offensichtlich von den Reaktor-Parametern ab. Eine Berechnung der relativen Konzentrationen solcher Materialien, die erforderlich sind, um einen im wesentlichen negativen Beitrag zum Koeffizienten der Reaktivität zu erhalten, kann aber von jeder Person ausgeführt werden, die mit der Reaktorphysik vertraut ist.

Aus den Figuren 3,4,5 ist ersichtlich, daß Rhodium-103 und Plutonium-240 weniger stark zu einem negativen Nutzkoeffizienten beitragen bei Temperaturen, die sich der normalen Betriebstemperatur eines graphitmoderierten Hochtemperatur-Reaktors, also etwa 145O⁰K nähern, als bei höheren Temperaturen· Diese Neutronenabsorber tragen also beträchtlich zu einem negativen Nutzkoeffizienten bei und damit zu einem totalen negativen Temperaturkoeffizienten bei Temperaturen oberhalb der normalen Betriebstemperatur eines G-raphit-Hochtemperatur-Heaktors, ohne wesentlich die Neutronenwirtschaftlichkeit bei normalen Betriebatemper_aturen zu beeinträchtigen.

Aus der vorangegangenen Beschreibung ist ersichtlich, daß die Erfindung Mittel angibt, mit denen dem Temperaturkoeffizienten der Reaktivität eines Hochtemperatur-Reaktors ein erheblioher negativer Beitrag zu erteilen ist, wodurch die Sicherheitscharakteristiken eines solchen Reaktors verbessert werden·

809902/0454

Claims

Patentansprüche

1· Hochtenperatur-Kernreaktor« mit einem reaktiven Kern, der innig alt einem Moderatormaterial ver~ niuchten Brennstoff enthält« alt einem Reflektor, der den Kern umgibt und lait mitteln zur Steuerung der Reaktivität dee Reaktor·« dnüuroh daJS die steuermittel Neutronen absorbierende·, bei erhühton Temperaturen chemisch etubilee und mit ixnderen Komponenten dea Reaktors vertragliche· laterial aufweisen« das oioh im fteaictorkern befindet und thermische ßesonansbanden bei einer Temperatur oberhalb 1200⁰C hat und das In einer Menje vorliegt« dio auurei^ht« ua einen im wesentlioheti prompten negativen Beitrag sura Teaperaturkoefflslenten der Reaktivität des Reaktor· bei Temperaturen oberhalb 1200⁰C derart su liefern« dau die Ulcherheltscharakteriotik des Reaktors verbessert wird·

2· Kernreaktor nach Anspruch 1« dadurch gekennseiohnety daß das Neutronen absorbierend« Material wenigstens einen der Stoff· Plutonium-240, Rhodiua-105, Erbiua-167 enthUlt oder daraus besteht*

3» Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2« dadurch gekennaeiohnet« das das neutronen absorbierend· Material von den Behältern der Brennstoffelemente im Reaktor« kern urneοhlοssen ist·

809902/0454