DE1489671B1

DE1489671B1 - Verfahren zum Betreiben eines Kernreaktors mit wenigstens zwei voneinander getrennten Spaltzonen

Info

Publication number: DE1489671B1
Application number: DE19651489671D
Authority: DE
Inventors: Lewis Wilfrid Bennett; Hurst Donald Geoffrey; Clayton Henry Hubert; Ontario Deep River
Original assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Current assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Priority date: 1965-02-24
Filing date: 1965-12-14
Publication date: 1971-05-06
Also published as: FR1464432A; US3366545A; GB1066010A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von den »Hoch«-Teilen der Spaltzone zu diesem eines Kernreaktors mit wenigstens zwei voneinander »niedrigen« Abschnitt fließen und den Effekt der übergetrennten, von einem gemeinsamen Reflektor um- schüssigen Vergiftung verringern. An dieser Stelle wird gebenen Spaltzonen, von denen jede für sich bei nor- die Energie ansteigen, bis hier eine höhere Energie malern Betrieb unterkritisch ist, jedoch beide gemein- 5 herrscht, als in den anderen Abschnitten,
sam auf Grund des Neutronenflusses kritisch werden, Auf Grund der Zeitverzögerung bei der Erzeugung wobei der ungehinderte Neutronenfluß von der einen und der Entfernung von Xenon kann ein Oszillations-Spaltzone verwendet wird, um Xenon in der anderen effekt in der gesamten Spaltzone auftreten. Dieses ist Spaltzone zu verbrennen. unerwünscht, da der Reaktor am wirtschaftlichsten ist,

Eines der Probleme beim Betrieb eines Kernreaktors io wenn der Flußpegel (Energie- oder Leistungsausgang) besteht in dem Anlassen eines vergifteten Reaktors, in allen Teilen der Spaltzone gleich ist. Um diesen nachdem er einige Stunden außer Betrieb war. Die Effekt zu verhüten, ist es üblich, Steuereinrichtungen Vergiftung von thermischen Reaktoren durch Spalt- in verschiedenen Teilen der Spaltzone anzuordnen, so produkte ist ein wohlbekanntes Phänomen. Das daß die Flußpegel an verschiedenen Orten entweder wichtigste Gift ist Xenon 135, welches beim Zerfall 15 einzeln oder gemeinsam gesteuert werden können, wie des direkten Spaltproduktes Tellurium-135 zu Jod-135 es erforderlich ist. Bei großen Reaktoren kann es jeentsteht, das wiederum zu Xenon-135 zerfällt. Xenon- doch vorzuziehen sein, getrennte Spaltzonen anstatt 135 hat einen Absorptionsquerschnitt für thermische einer großen Spaltzone zu haben.
Neutronen von etwa 3,5 · 10* barn, was viel größer ist Aus der USA.-Patentschrift 3 093 563 sind Reaktoren als der irgendeines anderen der erzeugten Gifte. Wenn 20 mit Verbundkernen bekannt, die in an sich bekannter der Reaktor in Betrieb ist, verbleibt die Konzentration Weise aus zwei oder mehreren Bereichen bestehen. Beian Xenon-135 in dem Reaktor auf einem Ruhewert. spielsweise wird ein Bereich hauptsächlich mit ther-Das Gift wird ständig erzeugt; es wird jedoch auch mischen Neutronen und ein anderer Bereich hauptsächständig entfernt, und zwar hauptsächlich auf Grund lieh mit schnellen Neutronen betrieben. Dabei wird einer Umwandlung in Xenon-136 durch die Absorp- 25 die Belastung auf Grund des Xenons im schnellen Betion von Neutronen und in einem geringeren Ausmaß reich erheblich vermindert. In dem Ausmaß, in welauf Grund des natürlichen Zerfalls. Der Reaktor muß chem thermische Neutronen jedoch in den schnellen eine genügende Reaktivität über die hinaus aufweisen, Bereich eindringen, bildet das im schnellen Bereich die bei Abwesenheit von Xenon-135-Vergiftung er- erzeugte Xenon eine Belastung, die in einem vollstänforderlich sein würde, um die thermischen Neutronen 30 dig schnellen Reaktor nicht auftreten würde,
zu schaffen, die zur Aufrechterhaltung dieses Ruhe- Weiterhin ist aus der USA.-Patentschrift 2 992 982 wertes verbraucht werden. ein schneller Reaktor bekannt, in welchem eine Syn-

Wenn ein Reaktor stillgesetzt wird, hört die Ent- these von thermischem Leistungsreaktor und schnellem

fernung von Xenon-135 auf Grund der thermischen Brüter vorhanden ist. Die in der USA.-Patentschrift

Neutronenabsorption auf. Das Jod-135, welches be- 35 2 992 982 beschriebene Anordnung stellt eine Ver-

reits gebildet wurde, fährt fort zu zerfallen und erzeugt besserung gegenüber der Anordnung dar, welche in

mehr Xenon-135. Da die Entfernungsrate von Xenon- der USA.-Patentschrift 3 093 563 beschrieben ist, und

135 vermindert wurde, beginnt sich die Konzentration zwar insbesondere im Hinblick auf die relativen Größen

an Xenon-135 zu erhöhen und erreicht dabei ein und Wechselwirkungen der thermischen und der

Maximum, bei dem die Erzeugungsrate an Xenon-135 40 schnellen Bereiche.

gleich dem Verlust von Xenon-135 durch Zerfall ist. Weiterhin ist aus der USA.-Patentschrift 2 790 760 Wenn dieser Höhepunkt an Xenonvergiftung erreicht ein Reaktor bekannt, welcher zwei grundsätzlich vonist, sinkt die Xenon-135-Konzentration langsam ab. einander getrennte Spaltzonen aufweist, die von Das Zeitintervall vom Stillsetzen des Reaktors, bis die einem gemeinsamen Reflektor umgeben sind.
Vergiftung den Höhepunkt erreicht hat, beträgt etwa 45 Die bekannten Reaktoranordnungen sind nicht ge-10 Stunden, und das Zeitintervall, bis die Vergiftung eignet, die eingangs geschilderten Probleme beim auf den Ruhewert bei normalem Reaktionsbetrieb ab- Wiedereinschalten eines Reaktors nach einer Betriebsnimmt, beträgt etwa 40 Stunden. Das bedeutet, daß, pause zu lösen.

falls ein Reaktor aus irgendeinem Grunde (Reparatur, Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Ver-

Wartung, Laden von Brennstoff) stillgesetzt wird, er 50 fahren zum Betreiben eines Kernreaktors der eingangs

fast sofort wieder gestartet werden muß oder für fast genannten Art zu schaffen, um den Reaktor nach teil-

40 Stunden leer läuft, es sei denn, daß der Reaktor weiser Stillsetzung zwecks Wartung, Reparatur oder

eine ausreichende überschüssige Reaktivität entweder Brennstoffwechsel wesentlich schneller als bisher

eingebaut oder extern gespeichert hat, welche benutzt wieder auf die volle Leistung zu bringen,

werden kann, um die Xenonvergiftung zu überwinden. 55 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-

Einen Reaktor mit der erforderlichen überschüssigen löst, daß jede der beiden Spaltzonen für sich allein

Reaktivität zu bauen, würde beträchtliche Energie- kritisch gemacht werden kann und daß beim Ab-

kostenverluste mit sich bringen; dadurch würde wahr- schalten der einen Spaltzone der anderen Spaltzone

scheinlich der Reaktor unwirtschaftlich im Verhältnis zusätzlicher Spaltstoff zugeführt wird, um den Verlust

zu allen anderen Energiequellen sein. 60 an Neutronen auszugleichen, die sie normalerweise

Ein weiteres Problem, welches beim Betrieb von von der einen Spaltzone erhalten würde, und somit die Reaktoren, speziell solchen mit hohen Energieaus- andere Spaltzone kritisch gehalten wird, bis die eine gangsraten, auftritt, besteht in den Xenonoszillationen Spaltzone wieder eingeschaltet ist.
quer zur Spaltzone des Reaktors. Bei großen Spalt- Ein bevorzugter Kernreaktor zur Durchführung des zonen kann die Tendenz bestehen, daß an einer Stelle 65 erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch in der Spaltzone eine geringere Energie ist, als in dem aus, daß der Zwischenraum zwischen den Reaktorübrigen Teil, und zwar auf Grund einer überschüssigen spaltzonen frei von Abschirmungs- bzw. Reflektor-Xenonanhäufung in dem Gebiet. Es werden Neutronen material zum ungehinderten Neutronenfluß von

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der einen Reaktorspaltzone zur anderen ausge- stellen, von der Spaltzone A zur Spaltzone B und umbildet ist. gekehrt. Während jede Spaltzone getrennt um ök <=a ε

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des unterkritisch ist, ist die Kombination jedoch kritisch.

Kernreaktors zur Durchführung des erfindungs- Falls A aus irgendeinem Grunde stillgesetzt wird, ist gemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß jeder Reaktor- 5 es, um B auf Leistung zu halten, erforderlich, daß diese

spaltzone Zusatzbrennstoffstäbe zugeordnet sind, die Spaltzone kritisch gemacht wird, indem ein Reaktivi-

jeweils bei Ausfall oder Abschalten einer Reaktor- tätsinkrement gleich ε hinzugefügt wird. Dieses kann

spaltzone in der anderen Reaktorspaltzone bzw. den mit Hilfe der Zusatzstäbe durchgeführt werden. Die

anderen Reaktorspaltzonen zur Erhöhung von deren Spaltzone A wird weiterhin Ausflußneutronen von der Reaktivität einführbar sind. io Spaltzone B mit derselben Rate erhalten, und falls die

Der gemäß der Erfindung erreichbare technische Spaltzone A um einen Betrag Δ unterkritisch ist

Fortschritt ist im wesentlichen darin zu sehen, daß [{Δ = 1 — k_ett (.A)], werden diese Neutronen einen

brim erneuten Einschalten eines Kernreaktors der _ß « ;

erfindungsgemaßen Art nach einer bestimmten Be- Δ β &

triebspause die volle Leistung bereits nach einer Zeit 15 fänglich ist Δ der Wert, der von der Stillsetzung her-

von etwa 10 Stunden wieder erreicht werden kann, rührt. Später kann der Wert von Δ durch die Fähigkeit

während bisher dazu etwa 40 Stunden benötigt des Bedienungspersonals bestimmt werden, um eine

wurden. Reaktivität in der Spaltzone A zu schaffen. Wenn

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise an Δ gleich ε gemacht werden kann, ist der normale BeHand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt 20 triebszustand wiederhergestellt. Es wurde festgestellt,

F i g. 1 eine schematische Darstellung von zwei ge- daß bei Bedingungen, die der Vergiftung (poison-out)

trennten Reaktorspaltzonen, die von einem gemein- der Spaltzone A entsprechen, d. h. Δ größer als ε, der

samen Reflektor umschlossen werden, Zufluß von Neutronen aus der Spaltzone B eine

F i g. 2 eine Ansicht ähnlich der F i g. 1, in der je- schnellere Wiederherstellung der Spaltzone A ergibt,

doch drei Spaltzonen dargestellt sind, 25 In F i g. 3 zeigt die Kurve ABCDE Δ (in milli-Ar) als

F i g. 3 eine graphische Darstellung, in der die Be- Funktion der Zeit nach Stillsetzung — wobei kein Abziehung zwischen der Zeit nach Stillsetzung und einem brand des Giftes angenommen ist — für eine typische Parameter Δ (der Betrag, um den eine Spaltzone unter- Kombination gemäß der Erfindung. Es sei angekritisch ist) dargestellt ist, und nommen, daß der Interspaltzonenausfluß (ε) gleich

F i g. 4 eine von der graphischen Darstellung der 30 10 milli-£ ist (1 % Interspaltzonenausfluß). Die Kurve

F i g. 3 abgeleitete graphische Darstellung, in der die kreuzt die 10-milli-&-Linie bei 0,53 Stunden nach Still-

Beziehung zwischen Anlaßzeit und Gesamtzeit bis setzung; vor dieser Zeit kann der Reaktor auf volle

zum Erreichen der vollen Leistung nach Stillsetzung Leistung gebracht werden, sobald die Steuerung

dargestellt ist. wiederhergestellt ist. Diese Zeit kann als »Zeit zum

Nach F i g. 1 sind zwei Reaktorspaltzonen A und B 35 Vergiften« angenommen werden. Der Punkt B auf der

relativ nahe beieinander angeordnet und vollständig Kurve stellt den Fall dar, wo eine 4stündige Verzöge-

von einem Neutronenreflektor und einer Abschir- rung stattgefunden hat, bevor der Reaktivitätsmecha-

mung 1 umgeben. Der Zwischenraum 2 zwischen den nismus der Reaktorspaltzone auf seinen normalen

beiden Spaltzonen ist frei von Abschirmungsmaterial, Zustand gebracht werden kann. An diesem Punkt hat

um den Fluß von Neutronen, die aus der einen Spalt- 40 Δ einen Wert von 62 milli-A:, und die Leistung der

zone entweichen, zur anderen Spaltzone zu gestatten. Spaltzone A kann auf ¹⁰/₆₂ der vollen Leistung an-

Die Zusatz- oder Aufladestäbe (booster rods) 3 und 4 gehoben werden. Diese Energie reicht aus, um das

sind schematisch dargestellt. Die Reaktorspaltzonen Xenon verhältnismäßig schnell abzubrennen; anstatt

sind normalerweise in geraden zylindrischen Tanks daß Δ der oberen Kurve bis CDE folgt, fällt es entlang

enthalten, die als Röhrentanks bekannt sind. Bei den 45 BP ab, und an dem Punkt P ist die normale Energie

augenblicklich gebauten Reaktoren liegen sie auf ihrer wieder erreicht. An dem Punkt P ist der Zuladestab

Seite, wobei die Brennstoffbeladung von beiden Enden der Spaltzone A noch voll eingesetzt. Die Vergiftung

stattfindet. Die Steuerung der Reaktoren kann durch (poison-out) ist folglich bei 10,2 Stunden anstatt bei

Steuerstäbe stattfinden, die durch die Abschirmung von 38 Stunden beendet. Bereits vor 10,2 Stunden beträgt

oben oder von den Enden eingesetzt sind. Es können 50 die Energie einen großen Bruchteil der normalen. Jede

jedoch andere Steuerformen verwendet werden, wie der anderen Kurven, die von ABCDE abfallen, zeigt

z. B. Moderator—Pegelsteuerung und die Einführung den Verlauf der Wiederherstellung, falls der Reaktor

von Giften an vorbestimmten Orten in den Reaktor- auf »Anlassen« zu der Zeit gebracht wird, wo die

spaltzonen. Es wird darauf hingewiesen, daß viele ver- Kurve ABCDE trifft.

schiedene Reaktorformen in Verbindung mit dieser 55 . . , _c , . / ε

neuartigen Anordnung verwendet werden können; es ^{Da die Ener}S^{ie der S}P^altzone ^{A em} ^Bruchtei1 U.

wird daher nicht für notwendig erachtet, die Kon- seiner normalen Energie ist und da die milli-Ar, welche

struktion der Reaktoren im einzelnen zu beschreiben, von dem Zusatzstab in der Spaltzone B erforderlich

da hierüber ausreichend Literatur zur Verfügung steht. sind,
F i g. 2 zeigt einen Reaktoraufbau, bei dem drei 60

Spaltzonen A, B und C mit den Zusatzstäben (booster _ε _ _ε tnergie^ler Spaltzone^ = ₆ (1 - ε/zl)

rods) 13,14 und 15 nahe beieinanderliegend angeordnet Normale Energie der Spaltzone A
sind.

Bei der Diskussion des Betriebes des Reaktor- ist, sind diese beiden Quantitäten nur Funktionen von

systems werden Raum- und andere Sekundäreffekte 65 Δ und können an den entsprechenden Skalen an der

auf die Reaktivität (k) vernachlässigt. Bei dem System rechten Seite der Figur abgelesen werden,

mit zwei Spaltzonen (F i g. 1) fließen beim normalen F i g. 4 ist eine Kurvendarstellung der Gesamtzeit

Betrieb Neutronen, welche einen Teilausfluß (ε) dar- zur Erreichung der vollen Energie nach Stillsetzung als

Funktion der »Anlaß«-Zeit. Falls beispielsweise die Anlaßzeit 4 Stunden beträgt, dann beträgt die Gesamtzeit, bis volle Energie erreicht ist, 10,2 Stunden. Falls die Anlaßzeit 10 Stunden beträgt, dann beträgt die Gesamtzeit zur Erreichung der vollen Leistung etwa 15,5 Stunden.

Es ist zu ersehen, daß eine beträchtliche Zeiteinsparung über einer normalen Vergiftung durch die Verwendung der Erfindung erreicht werden kann.

Allgemein ergibt bei großen Leistungsreaktoren die Aufteilung in wenigstens zwei Spaltzonen und die Anwendung von geeigneten Zusatzstäben die Möglichkeit, eine Spaltzone stillzusetzen und die volle Energie bei wesentlich verringerter Vergiftungszeit wieder zu erreichen. Zusätzlich ist das Kraftwerk weiterhin fähig, halbe Leistung zu liefern, welches in vielen Fällen von Vorteil sein kann.

Claims

Patentansprüche: ao

1. Verfahren zum Betreiben eines Kernreaktors mit wenigstens zwei voneinander getrennten, von einem gemeinsamen Reflektor umgebenen Spaltzonen, von denen jede für sich bei normalem Betrieb unterkritisch ist, jedoch beide gemeinsam auf Grund des Neutronenflusses kritisch werden, wobei der ungehinderte Neutronenfluß von der einen Spaltzone verwendet wird, um Xenon in der anderen Spaltzone zu verbrennen, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Spaltzonen (A, B) für sich allein kritisch gemacht werden kann und daß beim Abschalten der einen Spaltzone (A) der anderen Spaltzone (B) zusätzlicher Spaltstoff zugeführt wird, um den Verlust an Neutronen auszugleichen, die sie normalerweise von der einen Spaltzone (A) erhalten würde, und somit die andere Spaltzone (B) kritisch gehalten wird, bis die eine Spaltzone (A) wieder eingeschaltet ist.

2. Kernreaktor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit mehreren gesonderten Reaktorspaltzonen, die von einem gemeinsamen Reflektor umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (2) zwischen den Reaktorspaltzonen (A, B bzw. C) frei von Abschirmungsbzw. Reflektormaterial zum ungehinderten Neutronenfluß von der einen Reaktorspaltzone zur anderen ausgebildet ist.

3. Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Reaktorspaltzone (A, B, C) Zusatzbrennstoffstäbe (3, 4 bzw. 13, 14, 15) zugeordnet sind, die jeweils bei Ausfall oder Abschalten einer Reaktorspaltzone in der anderen Reaktorspaltzone bzw. den anderen Reaktorspaltzonen zur Erhöhung von deren Reaktivität einführbar sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen