DE1489919C3 - Betriebsverfahren einer Atomkern reaktoranlage mit einem schnellen Brut reaktor und einer Spaltstoffaufberei tungsanlage - Google Patents

Description

gleichzeitig mit dem Auswechseln der Brennstoffelemente größenordnungsmäßig der Anteil b —

der Brutstoffelemente ausgewechselt, wobei η | 1, positiv und in ^ 1 ist. Weiterhin werden die gleichzeitig entnommenen Brenn- und Brutstoffelemente gemeinsam aufgearbeitet. Dabei hat man den großen Vorzug, daß der in den Brutstoffelementen gewonnene spaltbare Stoff, z.B. Plutonium 239, im wesentlichen für die beim nächstfolgenden Brennstoffelementaus- ίο tausch neu in den Kernreaktor einzusetzenden Brennstoffelemente unmittelbar wiederverwendet werden kann, d. h. als Ersatz des in den aufzuarbeitenden Brennstoffelementen verbrauchten Spaltstoffes. Durch diese gemeinsame Aufarbeitung von Brennstoff- und Brutstoffelementen entsteht ein Plutoniumisotopengemisch, das wegen der zusätzlichen Plutonium-239-Zufuhr aus dem Brutmantel prozentual weniger Plutonium 240 als bei den bisherigen Verfahren enthält und daher eine günstige geringere spezifische Neutronenaktivität aufweist, so daß es nach einer technisch möglichen Spaltproduktdekontamination mit einem Dekontaminationsfaktor von 10⁷ bis 10⁸ möglich ist, den Spaltstoff direkt von Hand, d. h. ohne Fernbedienung weiter zu verarbeiten.

Auch das bei der Wiederaufarbeitung anfallende überschüssige Plutonium ist dann sogenanntes »schmutziges Plutonium«, d. h. kein reines Plutonium 239, es ist nämlich solches Plutonium, wie es in seiner Isotopenzusammensetzung in der Spaltzone des Brutreaktors verwendet wird. Aber gerade das ist von besonderem Vorteil, da ein in diesem Plutonium zu betreibender neuer Brutreaktor von Anfang an bereits die seinem Betriebsgleichgewicht entsprechende Plutoniumzusammensetzung in den Brennstoffelementen aufweist und so ein besonderes »Einfahren« eines solchen Kernreaktors, wie es bei der Verwendung von reinem Plutonium 239 notwendig ist, enthält.

Die gemeinsame Aufarbeitung von Brutstoff- und Brennstoffelementen gemäß der Erfindung ist auch für die Wiederaufarbeitung selbst von großem Vorteil, da sie neben dem Reaktorbetrieb herlaufend mit einem gleichmäßigen Materialdurchsatz betrieben werden kann. Die Anreicherung an spaltbarem Plutonium übersteigt dabei nicht wesentlich 5°/o' und bei Verwendung eines wäßrigen Aufarbeitiingsverfahrens, z. B. des Purexprozesses, beträgt die Strahlenbelastung der organischen Extraktions- und Verdünnungsmittel

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nicht wesentlich mehr als 1 ·■·.--, wodurch eine längere

Verwendungsdauer dieser Stoffe gewährleistet ist.

Bei der Betriebsweise der gemeinsamen Aufarbeitung von Brenn- und Brutstoffelementen gemäß der Erfindung ergibt sich eine fast völlige Übereinstimmung mit den Grundzügen des idealen, unendlich großen Brutreaktors, bei dem jedes Volumenelement unter dem gleichen Neutronenfluß steht und bei dem deshalb die Reaktivitätsänderung und die Änderung der Isotopenzusammensetzung des Brennstoffes, z.B. des Plutoniums, sehr klein ist und wobei im praktischen Betrieb in den Massenbilanzen der.Be- und Entladung des Brutreaktors in äußerst günstiger Weise lediglich der Brutstoff, z. B. Uran 238, als verbrauchter Stoff erscheint.

Claims (1)

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elemente im radialen Brutmantel von etwa 5 Jahren

Patentanspruch: rechnen. Da diese Reaktoren praktisch ununterbrochen in Betrieb sein sollen, werden die Spaltstoff-Betriebsverfahren einer Atomkernreaktoranlage elemente nicht auf einmal, sondern in regelmäßigen mit einem schnellen Brutreaktor und einer Spalt- 5 Zeitabständen zu einem vorbestimmten Bruchteil der Stoffaufbereitungsanlage, wobei dem Reaktorkern Gesamtmenge ausgewechselt und in einer, meist dem bei Erreichen stationärer Betriebsbedingungen nur Kernreaktor zugeordneten Wiederaufarbeitungsanlage noch brennstofffreie Brutstoffe zugeführt werden, aufgearbeitet, um von neuem im Reaktor verwandt wobei die Standzeit der Brutstoffelemente im werden zu können. Hierzu muß im aufgearbeiteten Reaktorkern ein Vielfaches der Standzeit der io Kernbrennstoff aber auch der Verbrauch des Anteils Brennstoffelemente im Reaktorkern beträgt und an Spaltstoff ergänzt werden. Dieser Anteil muß bei Brennstoffelementaustausch nur ein Bruchteil zunächst aus einem Vorrat und kann später aus dem der gesamten Brennstoffelemente im Reaktorkern in Brutstoff erbrüteten Spaltstoff genommen werden, ausgewechselt wird, dadurch gekenn- nämlich erst dann, wenn die Brutstoffelemente aufz eich η et, daß die in einem vorbestimmten, 15 gearbeitet sind.

aus ihren optimalen. Standzeiten sich ergebenden Aus der deutschen Auslegeschrift 1032 432 und Verhältnis aus dem Reaktorkern entnommenen schweizerischen Patentschrift 359 798 sind Betriebs-Brenn- und Brutstoffelemente gleichzeitig aus ihm verfahren von Atomkernreaktoranlagen mit Brutentnommen werden und gemeinsam aufgearbeitet reaktoren bekannt, welche zum Ziel haben, die werden. 20 Wiederaufarbeitung der im Reaktor bestrahlten und

mit erbrütetem Spaltstoff angereicherten Brennstoff-

elemente zu vermeiden. Dieses Ziel soll dadurch

erreicht werden, daß die Brennelemente nach Erreichen einer bestimmten Spaltstoffkonzentration in der

25 Brutzone ohne besondere Zwischenmanipulationen

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren einer in die Spaltzone eingesetzt werden, um den Brut-Atomkernreaktoranlage mit einem schnellen Brut- reaktor nur noch mit spaltstofffreien Brutstoffelemenreaktor und einer Spaltstoffaufbereitungsanlage, wobei ten beschicken zu können. Diese Brennelementmanidem Reaktorkern bei Erreichen stationärer Betriebs- pulationen bestehen somit aus einem reinen Umwechbedingungen nur noch brennstofffreie Brutstoffe züge- 30 sein der Brennelemente und sind nur für gasgekühlte führt werden, wobei die Standzeit der Brutstoff- Kernreaktoren geeignet, in denen technologisch äußerst elemente im Reaktorkern ein Vielfaches der Standzeit einfache Brennelemente, wie Graphitkugeln od. dgl., der Brennstoffelemente im Reaktorkern beträgt und zum Einsatz kommen. Das Verfahren ist weiterhin bei Brennstoffelemeüttausch nur ein Bruchteil der jedoch auch nicht für Brennelemente von schnellen gesamten Brennstoffelemente im Reaktorkern aus- 35 Brutreaktoren geeignet, da diese Brennelemente nach gewechselt wird. " einer gewissen Standzeit in einer entsprechenden In den Brutreaktoren werden Stoffe, die gegenüber Brutposition, nach der der notwendige Spaltstoffgehalt den Neutronen im Reaktor nur einen im Verhältnis erbrütet wurde, durch verschiedene Effekte so verformt zu den Kernbrennstoffen äußerst geringen Spaltquer- sind, daß ein Einsatz in der eigentlichen Spaltzone des schnitt besitzen (Brutstoffe) in Kernbrennstoffe umge- 40 Reaktors nicht mehr möglich ist. Dieser Einsatz wird wandelt. Als Brutstoffe eignen sich insbesondere bei solchen Reaktoren darüber hinaus auch dadurch Uran 238 und Thorium 232. Aus diesen entstehen unmöglich gemacht, daß Brut- und Brennstoffelemente im Kernreaktor durch Neutroneneinfang und an- konstruktiv unterschiedlich gestaltet werden müssen, schließende ^-Zerfälle die leicht spaltbaren Stoffe um an ihren jeweiligen Einsatzpositionen optimale (Kernbrennstoffe) Plutonium 239 bzw. Uran 233. Man 45 Eigenschaften aufzuweisen.

bezeichnet einen solchen Kernreaktor dann als Brut- Die Erfindung hat somit die Aufgabe, ein Verfahren reaktor, wenn mehr Kernbrennstoff durch diese Um- zum Betreiben schneller Brutreaktoren zu schaffen, Wandlung erzeugt wird, als durch die Kernspaltung bei dem eine möglichst einfache Wiederaufarbeitung verbraucht wird. Beispielsweise wird bei einem mit sowohl der Brenn- als auch der Brutstoffelemente Plutonium 239 als Kernbrennstoff und Uran 238 als 50 gewährleistet ist und bei dem insbesondere der im Brutstoff betriebenen schnellen Brutreaktor mit im Brutstoff erzeugte spaltbare Stoff als Brennstoff im wesentlichen schnellen Neutronen in der Spaltzone gleichen Kernreaktor weiterverwendet werden kann,
mehr Plutonium 239 erzeugt als verbraucht. Gemäß der Erfindung besteht die Lösung dieser Besonders vorteilhaft ist es, den Brutstoff um die Aufgabe darin, daß die in einem vorbestimmten, aus Spaltzone herum als Mantel anzuordnen, insbesondere 55 ihren optimalen Standzeiten sich ergebenden Verhältais radialen Mantel um eine zylindrische Spaltzone, ' nis aus dem Reaktorkern entnommenen Brenn- und da hierdurch die aus der Spaltzone entweichenden Brutelemente gleichzeitig aus ihm entnommen und Neutronen am besten ausgenutzt werden können. gemeinsam aufgearbeitet werden.
In einem solchen Fall werden gesonderte Brennstoff- Es wird hier also ein Verfahren zum Betreiben von elemente für die Spaltzone und Brutstoffelemente für 60 Kernreaktoren beschrieben, in denen neben der den Brutmantel vorgesehen. Die optimale Verweilzeit Spaltung von Kernbrennstoffen Stoffe geringen Spaltder Brenn-und Brutstoffelemente in der Spaltzone bzw. querschnitts (Brutstoffe) in Kernbrennstoffe umgeim Brutmantel ist jedoch unterschiedlich, und zwar wandelt werden, wobei die Verweilzeit der Brutstoffist diese wesentlich größer bei den Brutstoffelementen. elemente im Kernreaktor (Standzeit) auf dem «-fachen Beispielsweise muß man selbst bei denjenigen Brenn- 65 Betrag der Standzeit der Brennstoffelemente gehalten Stoffelementen, die einen sehr hohen Abbrand erlauben ji_-t> * a 1 * * i.j λ * ·ι 1 j
und daher eine Standzeit von 2 bis 2V₂ Jahren haben, ^{und bei} Brennstoffelementaustausch der Anteil — der

mit z. B. doppelt so hohen Standzeiten der Brutstoff- Brennstoffelemente ausgewechselt wird. Es wird daher