DE1489671C - Verfahren zum Betreiben eines Kernreaktors mit wenigstens zwei voneinander getrennten Spaltzonen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein 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.

Eines der Probleme beim Betrieb eines Kernreaktors besteht in dem Anlassen eines vergifteten Reaktors, nachdem er einige Stunden außer Betrieb war. Die Vergiftung von thermischen Reaktoren durch Spaltprodukte ist ein wohlbekanntes Phänomen. Das wichtigste Gift ist Xenon 135, welches beim Zerfall des direkten Spaltproduktes Tellurium-135 zu Jod-135 entsteht, das wiederum zu Xenon-135 zerfällt. Xenon-135 hat einen Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen von etwa 3,5 · 10⁶ barn, was viel größer ist als der irgendeines anderen der erzeugten Gifte. Wenn der Reaktor in Betrieb ist, verbleibt die Konzentration an Xenon-135 in dem Reaktor auf einem Ruhewert. Das Gift wird ständig erzeugt; es wird jedoch auch ständig entfernt, und zwar hauptsächlich auf Grund einer Umwandlung in Xenon-136 durch die Absorption von Neutronen und in einem geringeren Ausmaß auf Grund des natürlichen Zerfalls. Der Reaktor muß eine genügende Reaktivität über die hinaus aufweisen, ■ die bei Abwesenheit von Xenon-135-Vergiftung erforderlich sein würde, um die thermischen Neutronen zu schaffen, die zur Aufrechterhaltung dieses Ruhewertes verbraucht werden.

Wenn ein Reaktor stillgesetzt wird, hört die Entfernung von Xenon-135 auf Grund der thermischen Neutronenabsorption auf. Das Jod-135, welches be-^: reits gebildet wurde, fährt fort zu zerfallen und erzeugt mehr Xenon-135. Da die Entfernungsrate von Xenon-135 vermindert wurde, beginnt sich die Konzentration an Xenon-135 zu erhöhen und erreicht dabei ein Maximum, bei dem die Erzeugungsrate an Xenon-135 gleich dem Verlust von Xenon-135 durch Zerfall ist. Wenn dieser Höhepunkt an Xeriönvergiftung erreichtist, sinkt die Xenon-135-Konzentration langsam ab. Das Zeitintervall vom Stillsetzen des Reaktors, bis die Vergiftung;den Höhepunkt erreicht hat, beträgt etwa 10 Stunden, und das .Zeitintervall,, bis. die Vergiftung auf den Ruhewert "bei normalem Reäktionsbetrieb abnimmt, beträgt etwa 40 Stunden. Das bedeutet, daß, falls ein Reaktor aus irgendeinem Grunde (Reparatur, ^: Wartung; Laden von Brennstoff) stillgesetzt wird, er fast sofort wieder gestartet werden' muß öder für fast 40 Stunden leer läuft, es sei denn, daß der Reaktor eine .ausreichende überschüssige Reaktivität entweder eingebaut oder extern gespeichert hat, welche benutzt werden kann, um die Xenonvergiftung zu.überwinden. Einen Reaktor mit der erforderlichen überschüssigen Reaktivität zu bauen,, würde beträchtliche Energiekostenverluste mit sich bringen;,dadurch würde wahrscheinlich der Reaktor unwirtschaftlich im Verhältnis zu allen anderen Energiequellen sein.

Ein weiteres Problem, welches beim Betrieb von Reaktoren, speziell solchen mit hohen Energieausgangsraten, auftritt, besteht in den Xenonoszillationen quer zur Spaltzone des Reaktors. Bei großen Spaltzonen kann die Tendenz bestehen, daß an einer Stelle in der Spaltzone eine geringere Energie ist, als in dem übrigen Teil, und zwar auf Grund einer überschüssigen Xenonanhäufung in dem Gebiet. Es werden Neutronen von den »Hoch«-Teilen der Spaltzone zu diesem »niedrigen« Abschnitt fließen und den Effekt der überschüssigen Vergiftung verringern. An dieser Stelle wird die Energie ansteigen, bis hier eine höhere Energie herrscht, als in den anderen Abschnitten.

Auf Grund der Zeitverzögerung bei der Erzeugung und der Entfernung von Xenon kann ein Oszillationseffekt in der gesamten Spaltzone auftreten. Dieses ist unerwünscht, da der Reaktor am wirtschaftlichsten ist,

ίο wenn derFlußpe'gel (Energie- oder Leistungsausgang) in allen Teilen der Spaltzone gleich ist. Um diesen Effekt zu verhüten, ist es üblich, Steuereinrichtungen in verschiedenen Teilen der Spaltzone anzuordnen, so daß die Flußpegel an verschiedenen Orten entweder einzeln oder gemeinsam gesteuert werden können, wie es erforderlich ist. Bei großen Reaktoren kann es jedoch vorzuziehen sein, getrennte Spaltzonen anstatt einer großen Spaltzone zu haben.
Aus der USA.-Patentschrif13 093 563 sind Reaktoren mit Verbundkernen bekannt, die in an sich bekannter Weise aus zwei oder mehreren Bereichen bestehen. Beispielsweise wird ein Bereich hauptsächlich mit thermischen Neutronen und ein anderer Bereich hauptsächlich mit schnellen Neutronen betrieben. Dabei wird die Belastung auf Grund des Xenons im schnellen Bereich erheblich vermindert. In dem Ausmaß, in welchem thermische Neutronen jedoch in den schnellen • Bereich eindringen, bildet das im schnellen Bereich erzeugte Xenon eine Belastung, die in einem yollständig schnellen Reaktor nicht auftreten würde.

Weiterhin ist aus der USA.-Patentschrift 2 992 982 ein schneller Reaktor bekannt, in welchem eine Synthese von thermischem Leistungsreaktor und schnellem ^:;Brüter vorhanden ist: Die in der USA.-Patentschrift 2 992 982 beschriebene Anordnung stellt eine Verbesserung gegenüber der Anordnung dar, welche in der USA.-Patentschrift 3 093 563 beschrieben ist, und zwar insbesondere im Hinblick auf die relativen Größen und Wechselwirkungen der thermischen und der

schnellen Bereiche..... -.',■::. -· :·

Weiterhin ist aus der USA.-Patentschrift 2 790 760 ■V." ein Reaktor bekannt, welcher zwei grundsätzlich voneinander getrennte Spaltzonen aufweist, die von einem gemeinsamen Reflektor umgeben sind.

Die bekannten Reaktoranordnungen sind nicht geeignet, die eingangs geschilderten Probleme beim Wiedereinschalten eines Reaktors nach einer Betriebspause zu lösen.

. .. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Ver-

5<\ fahren zum Betreiben eines Kernreaktors der eingangs ■genannten Art zu schaffen, um den Reaktor nach teilweiser Stillsetzung zwecks Wartung, Reparatur oder . .Brennstoffwechsel .wesentlich schneller. ..als bisher wieder auf die volle Leistung zu bringen.

55·· 'Diese Aufgabe wird erfmdungsgemäß daduich gelöst, daß jede der beiden ·Spaltzonen für sich allein kritisch gemacht werden kann .und daß beim Abschalten der einen Spaltzone der. anderen Spaltzone zusätzlicher Spaltstoff zugeführt wird, um den Verlust an Neutronen auszugleichen, die sie normalerweise von der einen Spaltzone erhalten würde, und somit die andere Spaltzone kritisch gehalten wird, bis die eine Spaltzone wieder eingeschaltet ist.

Ein bevorzugter Kernreaktor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß der Zwischenraum zwischen den Reaktorspaltzonen frei von Abschirmungs- bzw. Reflektormaterial zum ungehinderten Neutronenfluß von

der einen Reaktorspaltzone zur anderen ausgebildet ist.

• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Kernreaktors zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß jeder Reaktorspaltzone Zusatzbrennstoffstäbe 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.

Der gemäß der Erfindung erreichbare technische Fortschritt ist im wesentlichen darin zu sehen, daß beim erneuten Einschalten eines Kernreaktors der erfindungsgemäßen Art nach einer bestimmten Betriebspause die,volle Leistung bereits nach einer Zeit von etwa 10 Stunden wieder erreicht werden kann, während bisher dazu etwa 40 Stunden benötigt j wurden.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise an Hand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt
■ F i g. 1 eine schematische Darstellung von zwei getrennten Reaktorspaltzonen, die von einem gemeinsamen Reflektor umschlossen werden,

Fi g;. 2 eine Ansicht ähnlich der Fi g. Ij in der jedoch drei Spaltzonen dargestellt sind, ■ '

^: F i g. 3 eine graphische Darstellung, in der die Beziehung zwischen der Zeit nach Stillsetzung und einem Parameter Δ (der Betrag, um den eine Spaltzone unterkritisch ist) dargestellt ist, und . / .,

F i g. 4 eine von der graphischen Darstellung der F i g. 3 abgeleitete graphische Darstellung, in der die Beziehung zwischen Anlaßzeit und Gesamtzeit bis zum Erreichen der vollen Leistung nach Stillsetzung dargestellt ist.

Nach F i g. 1 sind zwei Reaktorspaltzonen A und B relativ nahe beieinander angeordnet und vollständig von einem Neutronenreflektor und einer Abschirmung 1 umgeben. Der Zwischenraum 2 zwischen den beiden Spaltzonen ist frei von Abschirmungsmaterial, um den Fluß von Neutronen, die aus der einen Spaltzone entweichen, zur anderen Spaltzone zu gestatten. Die Zusatz- oder Aufladestäbe (booster rods) 3 und 4 sind schematisch dargestellt. Die Reaktorspaltzonen sind normalerweise in geraden zylindrischen Tanks enthalten, die als Röhrentanks bekannt sind. Bei den augenblicklich gebauten Reaktoren liegen sie auf ihrer Seite, wobei die Brennstoffbeladung von beiden Enden stattfindet. Die Steuerung der Reaktoren kann durch Steuerstäbe stattfinden, die durch die Abschirmung von oben oder von den Enden eingesetzt sind. Es können jedoch andere Steuerformen verwendet werden, wie z. B. Moderator—Pegelsteuerung und die Einführung von Giften an vorbestimmten Orten in den Reaktorspaltzonen. Es wird darauf hingewiesen, daß viele verschiedene Reaktorformen in Verbindung mit dieser neuartigen Anordnung verwendet werden können; es wird daher nicht für notwendig erachtet, die Konstruktion der Reaktoren im einzelnen zu beschreiben, da hierüber ausreichend Literatur zur Verfügung steht.

F i g. 2 zeigt einen Reaktoraufbau, bei dem drei Spaltzonen A, B und C mit den Zusatzstäben (booster rods) 13,14 und 15 nahe beieinanderliegend angeordnet sind.

Bei der Diskussion des Betriebes des Reaktorsystems werden Raum- und andere Sekundäreffekte auf die Reaktivität (k) vernachlässigt. Bei dem System mit zwei Spaltzonen (F i g. 1) fließen beim normalen Betrieb Neutronen, welche einen Teilausfluß (ε) darstellen, von der Spaltzone A zur Spaltzone B und umgekehrt. Während jede Spaltzone getrennt um bk ?» ε unterkritisch ist, ist die Kombination jedoch kritisch. Falls A aus irgendeinem Grunde stillgesetzt wird, ist es, um B auf Leistung zu halten, erforderlich, daß diese Spaltzone kritisch gemacht wird, indem ein Reaktivitätsinkrement gleich ε hinzugefügt wird. Dieses kann mit Hilfe der Zusatzstäbe durchgeführt werden. Die Spaltzone A wird weiterhin Ausflußneutronen von der ίο Spaltzone B mit derselben Rate erhalten, und falls die Spaltzone A um · einen Betrag Δ unterkritisch ist [(Zl = 1 — keii{Ä)], werden diese Neutronen einen

Bruchteil —r von der vollen Energie von A erzeugen. An-

fänglich ist Δ der Wert, der von der Stillsetzung herrührt. Später kann der Wert von Δ durch die Fähigkeit des Bedienungspersonals bestimmt werden, um eine Reaktivität in der Spaltzone A zu schaffen. Wenn Δ gleich ε gemacht werden kann, ist der normale Betriebszustand wiederhergestellt. Es wurde festgestellt, daß bei Bedingungen, die der Vergiftung (poison-out) der Spaltzone A entsprechen, d. h. Δ größer als ε,^: der Zufluß von Neutronen aus der Spaltzone B eine schnellere Wiederherstellung der Spaltzone A ergibt.

In F 1 g. 3 zeigt die Kurve ABCDE Δ (in milli-A;) als Funktion der Zeit nach Stillsetzung —wobei kein Abbrand des Giftes angenommen ist — für eine typische Kombination gemäß der Erfindung. Es sei ange-

,._" nommen, daß der Interspaltzonenausfluß (ε) gleich

10 milli-έ ist (1% Interspaltzonenausfluß). Die Kurve kreuzt die lO-miUi-fc-Linie bei 0,53 Stunden nach Stillsetzung; vor dieser Zeit kann der Reaktor auf volle Leistung gebracht werden, sobald die Steuerung wiederhergestellt ist. Diese Zeit kann als »Zeit zum Vergiften« angenommen werden. Der Punkt B auf der Kurve stellt den Fall dar, wo eine 4stündige Verzögerung stattgefunden hat, bevor der Reaktivitätsmechanismus der Reaktorspaltzone auf seinen normalen Zustand gebracht werden kann. An diesem Punkt hat Δ einen Wert von 62 milli-A:, und die Leistung der Spaltzone A kann auf ¹⁰/₆₂ der vollen Leistung angehoben werden. Diese Energie reicht aus, um das Xenon verhältnismäßig schnell abzubrennen; anstatt daß Δ der oberen Kurve bis CDE folgt, fällt es entlang BP ab, und an dem Punkt P ist die normale Energie wieder erreicht. An dem Punkt P ist der Zuladestab der Spaltzone A noch voll eingesetzt. Die Vergiftung (poison-out) ist folglich bei 10,2 Stunden anstatt bei 38 Stunden beendet. Bereits vor 10,2 Stunden beträgt die Energie einen großen Bruchteil der normalen. Jede der anderen Kurven, die von ABCDE abfallen, zeigt den Verlauf der Wiederherstellung, falls der Reaktor auf »Anlassen« zu der Zeit gebracht wird, wo die Kurve ABCDE trifft.

Da die Energie der Spaltzone A ein Bruchteil (-—)

seiner normalen Energie ist und da die milli-A:, welche von dem Zusatzstab in der Spaltzone B erforderlich sind,

Energie der Spaltzone A ,„ ...

ε — ε - = ε (1 — ε/Δ)

Normale Energie der Spaltzone A

ist, sind diese beiden Quantitäten nur Funktionen von Δ und können an den entsprechenden Skalen an der rechten Seite der Figur abgelesen werden.

F i g. 4 ist eine Kurvendarstellung der Gesamtzeit 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 (3)

Patentansprüche: 20

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) Zusatzbrennstoff stäbe (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