DE1539009A1 - Gasgekuehlter Kernreaktor und Verfahren zu seiner Herstellung und Bedienung - Google Patents

Description

PATENTANWALT DIPL-ING. ERICH SCHUBERT

Abi.. PohjManwall Dipl.-Ina.. SCHUBERT, 59 Sitgin, EUerntr Straft· Poitfa*32$

66 032 ar/da

Telefon: (0271J 32409 Taltgramm-Adr.: Polschuh, Si*g*n

FostichtoVkontent

ΚβΙη 1«» 31, Emn 203*2

Bankkonten t Dtutidi· Bank AG., Filialen Sitgtn u. Oberhauitn (RhId.)

11. März 1966

United Kingdom Atomic Energy Authority, 11, Charles II Street, London, SW1, E η g 1 and

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus. der britischen Patentanmeldung Nr, 10939/65 vom 15· März 1965 beansprucht.

Gasgekühlter Kernreaktor und Verfahren zu seiner Herstellung und Bedienung

Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktoranordnungen und betrifft insbesondere das Problem der Korrosion der Brennstoff elementumhüllungen bzw. -ummantelungen und anderer Komponenten bzw« Bauteile in gasgekühlten Reaktoren,

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Bei gasgekühlten Reaktoren, die unter der Kurzbezeichnung AGR/Advanced Gas-Cooled Reactor/ bekannt sind, weist das gegenwärtig verwendete Brennstoffelement Urandioxydbrennstoffstücke bzw. -kugeleh.en in einem Behälter bzw« einer Büchse aus korrosionsbeständigem Stahl auf» Die Betriebatemperatur des Reaktors wird durch die maximale Oberfiächentemp'eratur der Büchse von etwa 800°G begrenzt, da oberhalb dieser Temperatur die Oxydation der Büchse durch das Kühlmittel (grundsätzlich Kohlendioxyd) unangemessen hoch wird. Es ist verständlich, daß andere Komponenten bzw. Bauteile in dem Reaktor ebenfalls der Oxydation durch das Kühlmittel ausgesetzt sind und daß diese Oxydation sich über die gesamte Betriebezeit...bzw· Lebensdauer des Beafctors fortsetzt, bis diese Bauteile erneuert werden.

Es ist offensichtlich» daß eine höhere Kühlmitteltemperatur (zwar) die Oxydation zum Anwachsen bringt oder verstärkt, daß aber ψ eine solche höheüe Temperatur, die durch Anwendung einer höheren Ober^lächentemperatur der Büchse oder Hülse erreicht wird, eine höhere abgegebene Leistung des Brennstoffelementes ergibt und daß diese erhöhte Leistung entweder eine kleinere Kernabmessung für eine gegebene Reaktorleistung oder eine größere abgegebene Leistung bei gleicher Kernabmessung zuläßt«

Be ist Aufgabe der Erfindung, eine neue und verbesserte Anordnung eines gasgekühlten Reaktors zu schaffen.

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Gemäß der.Erfindung bestehen daher bei einem gasgekühlten Kernreaktor mindestens einige der mit dem Kühlmittel in Kontakt stehenden Oberflächen aus Nickel oder einer Nickel-Kupfer-Legierung, wobei das Kühlmittel Kohlendioxyd und eine Menge Kohlenmonoxyd zur Reduzierung des Sauerstoffpotentials des Kühlmittels enthält»

Eine der mit dem Kühlmittel in Kontakt stehenden Oberflächen wird dabei die äußere Oberfläche der Brennstoffumhüllung sein und bei einem Reaktor, bei welchem der Brennstoff mit einer metallischen Umhüllung versehen ist, sollte die Umhüllung aus Nickel oder einer Nickel-Kupfer-Legierung bestehen.

Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist bei dem neuen gasgekühlten Kernreaktor daher vorgesehen, daß die Brennstoffelemente in Nickel oder eine Nickel-Kupfer-Legierung eingehüllt sind, wobei das Kühlmittel Kohlendioxyd und eine Menge bzw· ein Quantum Kohlenmonoxyd enthält, um das Sauerstoffpotential des Kühlmittels zu reduzieren.

Die Menge des verwendeten Kohlenmonoxyds ist von der benötigten Betriebstemperatur abhängig und außerdem davon, ob eine vollständige oder teilweise Verhinderung der Oxydation erforderlich ist. Ein gewisse geringes Maß von Oxydation kann zulässig sein, wobei in einem solchen Fall die erforderliche Menge von Kohlenmonoxyd von dem genauen Grad der zulässigen Oxydation abhängt.

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Es ist herausgefunden worden, daß bei einer Temperatur von 60O⁰C die minimale Konzentration von Kohlenmonoxyd, um im wesentlichen eine vollständige Hemmung bzw» Verhinderung der Oxydation zu ergeben, bei etwa 0,17 ^oß> der Menge von Kohlendioxyd einschließlich Kohlenmonoxyd liegt, während bei 1000 eine Hemmung bzw· Verhinderung mit einem Zusatz von etwa 1,3 Kohlenmonoxyd erreicht wird.

Somit, sollte, um einen Reaktor zu betreiben, bei welchem der Brennstoff in einer metallenen Umhüllung angeordnet ist und die Oberflächentemperatur dieser Umhüllung bei etwa 1000⁰C liegt, die Brennstoffelementumhüllung aus Nickel oder einer Niclcel-Kupfer-Legierung bestehen, wobei das Kühlmittel Kohlendioxyd mit mindestens 1,3 $ Kohlenmonoxyd enthalten sollte. Mit einem geringeren Kohlerimonoxydanteil, z.B. 0,8 bis 1,0$, würde in gewissem Umfang Oxydation der Umhüllung bei 1000 C auftreten, wobei der Oxydatiorqgrad ausreichend niedrig wäre,um tragbar zu sein. Es können jedoch auch andere mit dem Kühlmittel in Kontakt stehende Oberflächen, wenn auch bei einer niedrigeren Temperatur als die Brennstoffelementumhüllung, einer Oxydation durch das Kühlmittel unterworfen sein, ao daß, da eine Erneuerung dieser Oberflächen normalerweise nicht möglich sein wird, es notwendig ist, sicherzustellen, daß eine Oxydation solcher Oberflächen während der Lebenszeit des Reaktors nicht Übermäßig hoch wird. Somit erscheint es wünschenswert, vollständig die Oxydation solcher Oberflächen, die nicht erneuert werden können, zu verhindern. Um sicher zu sein, daß keine Oxadation

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stattfindet, sollte daher die Kohlenmonoxydkonzentration vorzugsweise geringfügig die minimale Konzentration übersteigen, die erforderlich ist, um Widerstand gegen Oxydation zu ergeben. Um daher eine Oxydation bei 100O⁰O zu verhindern, kann in der Praxis eine Kohlenmonoxydkonzentrationivon etwa 1,5 C vorteilhaft benutzt werden»

Es ist ersichtlich, daß Öxydationsprobleme äußerst f

schwerwiegend und bedeutsam bei hohen Teperaturen sind und daß zusätzlich zu den Brennstoffelementumhüllungen andere Oberflächen ebenfalls in Kontakt mit dem heißen Kühlmittel stehen, z.B. in den das Kühlmittel von dem Reaktor zu den Wärme austauschern führenden Leitungen und in den Wärmeaustauschern selbst* und es ist daher wünschenswert und vorteilhaft, daß diese Oberflächen aus Nickel oder einer Niofcel-Kupfer-Legierung bestehen.

Es sei daauf hingewiesen, daß Nickel und Nickel-Kupfer-Legierungen nicht bei reinem Kohlendioxyd gegen Oxydation beständig sind und daß e3 die Gegenwart oder Anwesenheit von Kohlenmonoxyd ist, die diese Metalle gegen Oxydation beständig macht. Korrosionsbeständiger Stahl und auf Nickel basierende Legierungen und die als Nimonics bekannten Legierungen sind jedoch nicht oxydationsbeständig gegenüber einer Mischung , ·.Kohl end i oxyd-Kohlenmonoxyd, und bisher ist Kohlenmonoxyd einem Reaktorkühlmittel zugesetzt worden um zu versuchen, eine Gras-

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bildung "bzw. Vergasung des Graphitmoderators zu verringern, wobei dieses Kohlenmonoxyd jedoch nicht zur Verhinderung der Oxydation der verwendeten Büchsen- bzw, Behältermaterialien wirkungsvoll gewesen ist.

Entsprechend einer weiteren Gestaltungsform der Erfindung wird daher ein Verfahren zur Verminderung bzw. Hemmung der Oxydation von Oberflächen, welche in Kontakt mit dem kühlmittel eines gasgekühlten Kernreaktors sind, wobei das Kühlmittel Kohlenmonoxyd enthält und Oberflächen von Nickel oder einer Legierung aus Nickel und Kupfer in Kontakt mit diesem Kühlmittel sind, vorgeschlagen, bei dem dem Kühlmittel Kohlenmonoxyd in einer Menge beigegeben ist, um das Sauerstoffpotential des Kühlmittels zu reduzieren.

Um eine Hemmung bzw· Verhinderung einer Oxydation bei 1O00°0 zu erreichen, sollte die Menge des zugesetzten Kohlenmonoxyds derart sein, daß es ausreicht, eine Konzentration von mindestens 1,3 # des Kohlendioxyds zu ergeben.

Obwohl, genügend Kohlenmonoxyd zugesetzt werden sollte, um Widerstand gegen Oxydation zu erhalten, werden größere kohlenmonoxydzusätze als unerwünscht betrachtet, da bei höheren Kphlenmonoxydkonzentrationen eine durch Strahlung hervorgerufene Zersetzung bzw. Zerlegung des Kohlenmonoxyds auftreten kann «it der daraus folgenden Bildung von Kohlenstoff, welcher innerhalb

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des gesamten Kühlkreislaufes abgelagert wird. Die obere Grenze der Kohlenmonoxydkonzentration ist im Hinblick darauf ungewiß, sie sollte jedoch auf jeden Fall 5 Jt nioht übersteigen, und es zeigt sich ,daß es wünschenswert ist, daß die Kohlenmonoxydkonzentration in der Praxis so gering wie möglich sein sollte, wobei jedoch die Erfordernisse bezüglich der Oxydationswirkungen im Augejzu behalten sind.

Die geringste erforderliche Kohlenmonoxydkonzentration, um bei Verwendung einer Nickel-Kupfer-Legierung wirkungsvoll zu sein, ist niedriger als die bei Nickel erforderliche, da Kupfer bei weitem weniger einer Oxydation durch Kohlendioxyd in dem Kühlmittel unterworfen ist als Nickel. Da jedoch die Möglichkeit einer Kupferverdampfung bei kupferreichen Legierungen besteht, ist es vorzuziehen, Legierungen zu verwenden, bei denen der Kupfergehalt nicht zu hoch ist. Eine ge^ eignete Legierung hat eine Zusammensetzung von 70 Gewichtsprozent Nickel und 30 Gewichtsprozent Kupfer. Obwohl der Schmelzpunkt dieser Legierung (etwa 1330 C) geringer ist als der von Nickel (Schmelzpunkt bei H55°ö), bringt diese Legierung den Vorteil mit sich, daß weniger Kohlenmonoxyd notwendig ist, um eine Hemmung bzw» Unterdrückung zu ergeben, wobei diese Legierung auch eine geringere Neutroneneinfangswirkung hat als Nickel, da der Neutroneneinfangaquerschnitt von Kupfer (o* » 3,85) geringer ist als der von Nickel (σ = 4,6)· Obwohl Nickel einen höheren troneneinfangaquerschnitt als Eisen (σ =2,62) hat, erlaubt

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di· Verwendung von einer Nlokeiumhüllung bzw. einem tBokelbehälter eine geringere Wandstärke im Vergleich zu den üblichen mitEieen basierenden Umhüllungematerialien, da es nioht notwendig ist, daß auβ Nickel beetehende Umhüllungsmaterial mit •iner Korrösionszugabe au vertthen. So kann bei einem Reaktor, bti dem die Wandstärke von Brennstoffbehältern aus korrosionsbeständigen Stahl 0,015* £·*** 380 Mikron) ist, «it einer Niokelumhüllung eine Wandetäric· von nur 0,008 (etwa 200 Mikron) abglich »«in. Die Verwendung Tön dünneren Umhüllungen gleicht auf ditee Wei«« wenigstens teilweiee den vergrößerten Neutronenoinfangaqueraohnitt von Nickel aui«

Rohre aus Nickel können leioht diirch die üblichen Einfiöhtungen *ur Herateilung ton Srennetoffbehältern bzw. Brennetoffbüchsen hergestellt werden. Außerdem kann in vorteilhafter feist die Festigkeit von Nickel durch die Verwendung von Oxyddiaperaionen im Siokel vergrößert werden» IHIr dieeen Zweck wird meißtene Thorerde verwendet, welche jedoch für Kernprdb^Lme nioht geeignet sein kann, eo daß in diesem ?ail ein Oxyd, c.B. Aluminiuaoxyd bew» Tonerde /alumina/ eines nfcht-nuklearen /non nuclear/ Metalle mit einem geringen Neutroneneinfangsq.uerschnitt vorzuziehen ist.

Die folgenden Experimente wurden zur Bestimmung der geringsten Kohlenetoffmonoxydkonsentration durchgeführt, die zum Erreichen einer Orydationswiderstandsfähigkeit nötig ist, und die beilegende Zeichnung ist eine graphische Darstellung der Veränderung der not-

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wendigen Kohlenmonoxydkonzentration in Abhängigkeit von der 'femperatur,

Beispiel 1 ■

Ein Kohlendioxyd-Kohlenmonoxyd-Gasgemisch wurde im Kreislauf in einem geschlossenen Kreis geführt, welcher ein Gemisch von Hickel- und Nickeloxydpulver in einem Brenn- bzw. Heizabschnitt enthielt·

Die Nickel- und Nickeloxydpulver waren spektrographisch nach Norm hergestellte Pulver, wobei die größeren Verunreinigungen 2 ppm. Silicium und 1 ppm Eisen im Nickel und 5 ppm Silicium, 3 ppm Eisen und 1 ppm Magnesium im Niekeloxyd betrugen. Um reproduzierbare Ergebnisse zu ergeben, mußte die Mischung bei 900 bis 1000⁰C entgast werden. Das Kohlendioxyd w_wurde spektrographisoh normiert und enthielt etwas Hqq als Indikator. .

Das Gasgemisch wurde in dem geschlossenen Kreis bzw. der geschlossenen Schleife und über das erhitzte Gemisch im* Umlauf geführt bzw« zirkuliert. Proben des Gases wurden analysiert, um das Erreichen des Gleichgewichts festzustellen, bei dem der Kohlenmonoxydgehalt der Gasmischung konstant blieb. Die Gasmischung wurde nach zwei Verfahren analysiert, und zwar nach einem, bei welchem der Gesamtdruck und der Kohlenmonoxydpartial-,druck monometrisch und mit einer Mc Leod-Röhre bzw# -Vorrichtung /Mc Leod gauge/, während nach dem anderen Verfahren das Indikator-Kohlenstoff-14-Atom im Gas und ein Geiger scher Spit zeij··

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zähler /Geiger Muller end window counter/ verwendet wurde· Bei beiden Methoden wurde der Kohlenmonoxydpartialdruck gemessen, nachdem das Kohlendioxyd durch einen Flüssigstickstoff-Abach^eider entfernt worden war· Die Werte des Verhältnisses Koulenmonoxydpartialdruok /Kohlendioxydpartialdruok beiden Verfahren erhalten wurden, stimmten innerhalb der Grenzen von 4 i> überein.

Die Temperatur des Nickel-Nickeloxyd-Gemisches wurde mit einem Pt/PtRh-thermoelement gemessen, welches in einer lasche in dem Zeiz- bzw· Brennabsohnitt im Bereich des Gemisches angeordnet war.

Das Gleichgewicht wurde in einem !Temperaturbereich von 580 bis 1016⁰C bestimmt· Die Ergebnisse sind in der Zeichnung wiedergegeben, in der log (I*_nr/P_nn ) über 1/T

10 ^{υι/ υυ}2 aufgetragen ist· Aus der graphischen Darstellung kann die Gleichgewiohtekonzentration von Kohlenmonoxyd für jede Temperatur w_Ae in der folgenden Tabelle dargestellt bestimmt werden.

Temperatur Gleichgewichtskonzen

(⁰O) tration C0(?6)

600 0

700 0,339

800 0,572

900 0,883

1000 1,29

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Biese αϊ β Ichgewicht sk one en "tr at ionen von Kohltnmonoxyd sind die Minimalkoneentrationen, welche «ur HtBmunf bew. Verhinderung einer Oxydation des Niokelserforderlich sind.

aieiohgewicht wurde bei einer aaaitrömungigeeohwindigktit τοη 220 feie 240 onr/aXn (o.cst/min·) erhalt·η. Bi wurde herausgefunden, daß das £_ηΛ/3?_Λη -Vej&altnie beim Gleichgewiaht·- iuetand unbeeinflußt war von der Eichtung, von der man eioh den »aherfef·

Weitere Yereuofc* wurden mit unterschiedlichen Strömungsgtichwin' digkeiten durchgeführt und es wurde herausgefunden, da8 das

Verhältnis £_ö0/£_ö0 beta öl eichg«wichtseustwid von Strö«ungif t-

- ■■ ^ - " ■■ '^; -"" "■■" S '""' ""' · " . aohwindigkeiten ia Bereich von 100 bie §00 β«-/M*' (o.os./ain) unbeeinflußt war.

Eb wird darauf hingewiesen, daß, obwohl die Erfindung mit besonderer Berücksichtigung τοη Brennelementumkleidungen erörtert wurde, bei gewissen Reaktoren, s.B, der als Dragon bekannten Hoohtemperaturreaktoranlage der Brennstoff nicht mit einer Metallumhüllung versehen ist und Korrosionsprobleme der umhüllung durch das Kühlmittel bei solchen Reaktoren nicht auftreten« Bei diesen Reaktoren können jedoch andere mit dem Kühlmittel in Kontakt stehende Oberflächen einer Oxydation durch Kohlendioxid in dem Kühlmittel unterworfen sein, so daß der Gegenstand der Erfindung angewandt werden kann, um eine Oxydation

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dieser Oberflächen durch die Verwendung von Nickel oder einer Nickel-Kupfer-Legierung für diese Oberflächen und durch einen Zusatz von Kohlenmonoxyd zu dem Kühlmittel zu verhindern, wobei der Zusatz von Kohlenmonoxyd vorzugsweise ausreichen sollte, eine Oxydation der heißesten mit dem Kühlmittel in Kontakt stehenden Metalloberfläche zu verhindern.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

Fat entansprüche

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1, Gasgekühlter Kernreaktor,, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der mit dem Kühlmittel in Kontakt stehenden Oberflächen aus Nickel oder einer Nickel-Kupfer-Legierung bestehen und'idaß Kühlmittel Kohlendioxyd und eine Menge Kohlenmonoxyd zur Reduzierung des Sauerstoffpotentials dee Kühlmittels enthält.

   2o Gasgekühlter Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffelemente in ein Metall eingehüllt sind, dessen Oberfläche mit dem Kühlmittel in Kontakt steht und daß das Metall Nickel oder eine Nickel-Kupfer-Legierung ist.

   3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenmonoxydkonzentration mindestens 1,3 ^cp des gesamten Gehalts an Kohlendioxyd und Kohlenmonoxyd ausmacht.

   4. Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel Kohlendioxyd ist, welches 1,3 bis 5,0?i Kohlenmonoxyd enthält. 909833/0712 /

   5o Reaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dais die Brennstofiuiunüllung aus Nickel von einer Dicke von 200 Mikron besteht.'

   β« Reaictor nacn einem der Ansprücne 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die . Brennst of furihiillunc; aus Nickel- bestent, das eine Oxyddispersion aufweist«

   7o Keaktor nach einem der Ansprücne 2 bis 4, dadurch gekennzeicnnet, daiS das Brennstoffelement eineNickel-I-Iupfer/ Legierung ist, mit mindestens 70 Grew-$ Nickel.

   8. Verfahren zur Verminderung der Oxydation von Oberflächen, welche in Kontakt mit dem Kühlmittel eines gasgekühlten Kernreaktors sind, wobei das Kühlmittel Kohlenmonoxyd ent hält, dadurch gekennzeichnet, daß einige der Oberflächen aus Nickel oder einer Legierung aus Nickel und Kupfer bestehen und Kohlenmonoxyd dem Kühlmittel in einer Menge beigegeben ist, um das ^!"auerstoffpotential des Kühlmittels zu reduzieren.

   9· Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffelemente in Nickel oder in eine Legierung aus Nickel und Kupfer eingehüllt sind, die Oberflächentemperatur der Umhüllung 1000°C nicht übersteigt und Kohlenmonoxyd zugefügt ist, um eine Kohlenmonoxydkonzentration von mindestens 1,3 fo des geantem Gehaltes an Xohlendioxyd und Kohlenmonoxyd zu ergeben.

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