DE1539817C - Verfahren zur Kompensation der Reak tivitatsveranderungen eines schwerwasser moderierten Kernreaktors und Kernreaktor zur Durchfuhrung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Reaktivitätsveränderungen eines schwerwassermoderierten Kernreaktors, bei dem im Schwerwasser Lithiumtetraborat gelöst und das Lithium bei der normalen dauernden Reinigung des Schwerwassers mittels Ionennaustauscherharzen extrahiert wird; vgl. den Report TID 17 032 von R. V. B a 1 c h, »Ä Study of Chemical Poisons for Nuclear Reactor Control«, Juni 1961. *

Bei Kernreaktoren tritt im Verlauf ihres Betriebs vom Kritischwerden mit neuen Brennstoffelementen an aus verschiedenen Gründen eine zunehmende Verringerung der Reaktivität ein. Die eine Gruppe von Effekten, insbesondere der Xenon-Effekt, bewirkt eine rasche Verringerung bis zur Erreichung einer bestimmten Stufe nach einigen Tagen, während andere wie der Samarium-Effekt und die Verarmung des Brennstoffs an spaltbaren Kernen (Brennstoffabbrand) eine langsame Abnahme über die ganze Verwendungsdauer der Brennstoffbeschickung hin bewirken. '

• Bei Leistungsreaktoren mit einem flüssigen Moderator und/oder Kühlmittel besteht ein häufig angewandtes Verfahren zur Kompensation der Reaktivitätsverringerung im Zusatz von sich verbrauchenden Neutronengiften zum Moderator und/oder Kühlmittel. Bei Siedewasser- oder Druckwasserreaktoren, die leichtes Wasser als Moderator und Kühlmittel benutzen, besteht dieses Gift im allgemeinen aus in Form von Borsäure in Lösung befindlichem Bor. Ein Teil des Bors verschwindet fortlaufend durch Neutronenabsorption, was die langsamen Veränderungen der Reaktivität teilweise kompensiert. Zur Kompensation der raschen Veränderungen kann ein Teil des gelöste Borsäure enthaltenden Wassers entnommen und durch reines Wasser ersetzt werden.

Diese Maßnahme läßt sich jedoch nur schwer bei schwerwassermoderierten Kernreaktoren anwenden. Das in Form von Borsäure vorliegende Bor wird nämlich nur durch starke Anionenaustauseherharze fixiert, und die Gleichgewichtskonstante der Austauschreaktion ist klein; außerdem kann man angesichts des Preises des schweren Wassers offensichtlich nicht einen Teil davon abziehen und verwerfen. Dagegen kann das Bor zur Kompensation des Samarium-Effekts und des Brennstoffabbrands dienen, wozu es mehrere Wochen lang in einer geregelten Konzentration vorhanden sein muß und infolgedessen nur sehr langsam verschwinden solL

Man hat vorgeschlagen, das Bor durch andere Elemente mit großem Neutroneneinfangquerschnitt zu ersetzen, insbesondere Cadmium in Form des Sulfats, jedoch treten auch bei Verwendung dieses Elements eine Anzahl von Schwierigkeiten auf. .

Ferner wurde die Verwendung anderer Gifte, insbesondere des Isotops Lithium 6 vorgeschlagen. Das Lithium kann vollständig und ohne Schwierigkeit aus dem Moderator extrahiert werden und eignet sich ausgezeichnet zur Kompensation der anfangs erfolgenden raschen Reaktivitätsverringerung, insbesondere durch den Xenon-Effekt. Jedoch wäre andererseits eine Reaktivitätskompensierung über einen längeren Zeitraum nicht möglich, da das Lithium durch die zur dauernden Reinigung des Moderators durch Ionenaustausch in einem Hilfskreislauf verwendeten starken Kationenaustauscherliarze fixiert würde; der Gehalt an Lithium nimmt daher rasch ab, da man auf die Reinigung des Moderators nicht verzichten kann und es zu teuer wäre, die Giftkonzentration durch wiederholte Zugabe des Gifts aufrechtzuerhalten.

Schließlich wurde in theoretischen Untersuchungen aller verwendbaren Gifte die Verwendung einer Lösung bestimmter chemischer Verbindungen (z. B. den Verbindungen von Lithium und Bor) zweier Elemente mit großem Neutroneneinfangquerschnitt als Neutronengifte in Betracht gezogen; die Beseitigung dieser Gifte sollte in den stets mit dem Moderatorkreis verbundenen Reinigungsvorrichtungen erfolgen. '

• Die Erfindung schlägt nunmehr ein Verfahren zur Kompensation rascher und langsamer Reaktivitätsveränderungen vor, das besser als die bisher bekannten Verfahren den Erfordernissen der Praxis entspricht, insbesondere die aufeinanderfolgende Kompensation zwei verschiedener reaktivitätsverringernder Effekte gewährleistet und dabei die Möglichkeit bietet, den Moderator durch Ionenaustausch (wenn es sich um Schwerwasser handelt) in einem aus starken Kationenaustauscherharzen und schwachen Anionenaustauscherharzen bestehenden Mischbett zu reinigen, ohne daß die Konzentration an Bor in der Lösung beeinflußt wird.

Erfindungsgemäß wird zu diesem Zweck bei dem eingangs bezeichneten Verfahren zur Kompensation der Reaktivitätsveränderungen eines schwerwassermoderierten Kernreaktors das bei der dauernden Reinigungsbehandlung des Lithiumtetraborat enthaltenden Schwerwassers als Borsäure in Lösung bleibende Bor durch Fixierung an einem starken Anionenaustauscherharz. langsam mit einer in Abhängigkeit von den die Reaktivität langsam vermindernden Erscheinungen, wie dem Samarium-Effekt und dem Brennstoff abbrand, geregelten Geschwindigkeit abgetrennt.

Da Lithiumtetraborat Li₂B₄O₇ · 5 H₂O verwendet wird, kann man durch Verwendung eines aus einer Mischung von schwachen Anionenaustauscherharzen und starken Kationenaustauscherharzen bestehenden Bettes im Reinigungskreislauf das Lithium fixieren, ohne das Bor festzuhalten, das nur durch starke Anionenaustauseherharze fixiert wird und in Form der Borsäure in Lösung bleibt.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des vorliegenden Verfahrens an Hand der Figur erläutert, die schemaxisch den Moderatorkreislauf erines schwerwassermoderierten und durch einen Kühlgaskreislauf (z. B. Kohlendioxid) gekühlten Kernreaktors zeigt.

Der in der Figur gezeigte Kernreaktor umfaßt einen Behälter 2 zur Aufnahme des schweren Wassers, der in einem biologischen Schutzschild 4 angeordnet ist. Durch den Behälter ist eine Reihe von parallelen, in einem regelmäßigen Gitter angeordneten Energierohreri geführt, von denen zur besseren Übersicht nur ein Rohr 6 dargestellt ist. Diese Energierohre enthalten die Brennstoffelemente und bilden einen Teil eines nicht gezeigten Kühlkreislaufs, in dem das Kühlmittel (im allgemeinen CO₂ oder H.,O) zuströmt.

Mit dem Behälter 2 ist ein Kreislauf 8 zur dauernden Kühlung und Reinigung des Schwerwassers verbunden. Der Kreislauf 8 umfaßt nacheinander eine Schwerwasserentnahmeleitung 10, eine Förderpumpe 12, einen Wärmeaustauscher 14 und eine zum Behälter zurückführende Rückleitung 16; ein Neben-

kreislauf, durch den ein Teil des durch den Kreislauf 8 gehenden Wassers strömt, umfaßt einen Entsalzer 18, dessen wirksames Element ein Mischbett von Ionenaustauscherharzen ist, die die Korrosionsprodukte und andere zufällig in den Reaktor eingeführte oder durch Radiolyse gebildete Verunreinigungen festhalten sollen.

Ferner ist ein Vorrats- oder Pufferkreislauf vorgesehen, der einen Vorratsbehälter 20 und eine Rückführpumpe 22 umfaßt, sowie ; ein Rekombinationskreislauf 23 zur Wiedervereinigung des aus der Zersetzung des schweren Wassers stammenden Deuteriums und Sauerstoffs. Dieser in der Figur gestrichelt gezeigte Kreislauf entnimmt die Gase oberhalb des Behälters 2 und führt nach ihrer Wiedervereinigung in einem Katalysatorelement 24 das zurückgebildete schwere Wasser dem Vorratsbehälter 20 und dem Behälter 2 wieder zu.

Die bisher beschriebenen Kreisläufe werden gegenwärtig bei schwerwassermoderierten und durch Umlauf von Kohlendioxid in den von den Brennstoffelementen eingenommenen Energierohren gekühlten Kernreaktoren angewandt. Es werden im schweren Wasser vor dem Kritischwerden des mit neuen Elementen beschickten Reaktors zwei Neutronengifte mit verschiedenen Eigenschaften darstellende Elemente verteilt. Diese Gifte sind Bor und Lithium, gegebenenfalls bis auf einen geeigneten Gehalt an ihren Isotopen Li 6 bzw. B 10 angereichert.

Das Lithium und das Bor werden in Form von Lithiumtetraborat miteinander verbunden verwendet, das zur Vermeidung einer Verunreinigung des schweren Wassers in kristallwasserfreier Form zugesetzt wird. Der Entsalzer 10 besteht dann aus einem Mischbett von starken Kationenaustauscherharzen und schwach- oder mittelstark basischen Anionenaustauscherharzen.

In der Anfangsphase des Reaktorbetriebs, entsprechend dem Anstieg des Xenon-Gehalts bis zu einer bei einem Leistungsreaktor nach einigen Tagen erreichten Höhe, wird das Lithium 6 durch Fixierung an den Austauscherharzen des Entsalzers 18 abgetrennt. Das Lithium und insbesondere das Lithium 6 wird durch die starken Kationenaustauscher des Entsalzers mit einer durch Regelung der Durchflußgeschwindigkeit im ein Mischbett von starken Kationenaustauscherharzen und schwachen Anionenaustauscherharzen verwendenden Entsalzer 18 regelbaren Geschwindigkeit fixiert. Alle Korrosionsprodukte und Verunreinigungen werden zusammen mit dem Lithium von den Austauscherharzen festgehalten, während das Bor im schweren Wasser in Form von Borsäure in Lösung bleibt. Der Xenon-Effekt kann so ohne Schwierigkeiten kompensiert werden, und das Lithium kann anschließend durch Elution der Austauscherharze zurückgewonnen und unmittelbar wiederverwendet werden, was die Verfahrenskosten verringert. Nachdem das Gleichgewicht an Xenon 135 erreicht ist, setzt man die normale dauernde Reinigung des schweren Wassers mit einem Mischbett von starken Kationenaustauschern und schwachen Anionenaustauschern fort, wobei alle Korrosionsprodukte und anderen Verunreinigungen festgehalten werden, ohne daß die Borsäurekonzentration verändert wird.

Die zur Kompensation des Samarium-Effekts und des Brennstoffverbrauchs notwendige Veränderung der Borkonzentration muß über eine Zeitdauer in der Größenordnung von Monaten und im wesentlichen entsprechend einer Exponentialkurve erfolgen. Die Verringerung des Borgehalts erfolgt teilweise durch Neutroneneinfang, jedoch verbleibt ein Vergiftungsüberschuß. Deshalb wird zusätzlich zur EIiminierung des Bors durch Neutroneneinfang eine Fixierung desselben an stark basischen Austauscherharzen vorgenommen. Diese Fixierung geschieht im Kreislauf 26, der einen Teil des aus dem Entsalzer 18

ίο austretenden schweren Wassers abnimmt und ihn nach Fixierung des Bors in einem Reiniger 28 wieder zurückführt.

Beispielsweise kann man die auf den Xenon-Effekt zurückgehenden Reaktivitätsveränderungen beim

is Anlaufen eines Leistungsreaktors, dessen thermische Neutronenflußdichte zwischen 5 · 10¹³ und 10¹⁴ Neutronen/cm² · Sek. beträgt, dadurch kompensieren, daß man durch den Entsalzer 18 pro Stunde einen Anteil zwischen 9 und 10⁰/o des Gesamtvolumens

ao des im Behälter 2 enthaltenen schweren Wassers leitet. Bei der gleichen Neutronenflußdichte zwischen 5 · 10¹³ und 10¹⁴ Neutronen/cm² · Sek. kann man trotz des erheblichen Borverbrauchs die gewünschte Kompensation der Reaktivität nicht erreichen. Die überschüssige Vergiftung liegt ungefähr zwischen 12 und 35% des Anfangswertes der Reaktivität des zugesetzten Bors (diese Näherung vernachlässigt die Verweilzeit eines vergifteten Schwerwasseranteils in dem außerhalb des Neutronenflusses liegenden Teil des Schwerwasserkreislaufs). Zur Erzielung einer ausreichenden Kompensation muß das Verhältnis der pro Stunde durch den Kreis 26 zu leitenden Menge zum Gesamtvolumen des schweren Wassers im allgemeinen für die oben angegebenen Neutronenflüsse zwischen 0,0016 und 0,002 liegen.

Im Entsalzer 18 kann man ein Gemisch von einem starken Kationenaustauscherharz und einem mittelstarken basischen Anionenaustauscherharz verwenden.

Das Lithiumtetraborat kann durch ein Gemisch von Lithiumsulfat und deuterierter Borsäure ersetzt werden, jedoch besitzt diese Ausführungsform Nachteile gegenüber der oben beschriebenen. Die spätere Abtrennung des Sulfations aus dem schweren Wasser würde zu einem zusätzlichen Verbrauch von Anionenaustauscherharz führen. Die Verwendung einer definierten Verbindung bietet also erhebliche Vorteile.

Zusammenfassend sieht man, daß die Erfindung ein Verfahren zur Kompensation des Xenon-Effekts durch ein erstes Gift und des Samarium-Effekts und der Verarmung des Brennstoffs durch ein anderes Gift ermöglicht, wobei die normale Reinigung des schweren Wassers weiter erfolgen kann, ohne daß man erneut Gift zusetzen müßte, und eine Einsparung an Austauscherharzen erzielt wird, da man zur Abtrennung des Lithiums 6 ein Kationenaustauscherharz allein verwenden kann, das dann gleichzeitig mit der Rückgewinnung des Lithiums 6 durch Elution regeneriert wird.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Kompensation von Reaktivitätsveränderungen eines schwerwassermoderierten Kernreaktors, bei dem im Schwerwasser

Lithiumtetraborat gelöst und das Lithium bei der normalen dauernden Reinigung des Schwerwassers mittels Ionenaustauscherharzen extrahiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das bei der dauernden Reinigungsbehandlung des Lithiumtetraborat enthaltenden Schwerwassers als Borsäure in Lösung bleibende Bor durch Fixierung an einem starken Änionenaustaüscherharz langsam mit einer in Abhängigkeit von den die Reaktivität langsam vermindernden Erscheinungen, wie dem Samarium-Effekt und dem Brennstoffabbrand, geregelten Geschwindigkeit abgetrennt wird.

2. Kernreaktor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, .der einen Behälter zur Aufnahme einer Moderatorflüssigkeit und einen von einer bestimmten Moderatormenge durchströmten Kreislauf zur dauernden Reinigung des Moderators und Fixierung des im Moderator gelösten Lithiums enthält, gekennzeichnet durch einen Hilfskreislauf (26) zur langsamen Kompensation der Reaktivitätsveränderung, durch den eine regelbare Durchflußmenge des Moderators strömt \md der einen mit starken Anionenaustauscherharzen beschickten Austauscher (28) zur Fixierung des Bors umfaßt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen