DE1564379C3 - Konversionsreaktor - Google Patents

Description

EU) =

RU)

1 + RU)

dadurch gekennzeichnet, daß die anfänglichen Einsatzmengen des spaltbaren und des brutfähigen Materials und der Umwandlungsfaktor r des Reaktors unter Berücksichtigung der Neutronenverluste so gewählt sind, daß die Beziehung

um die Kosten der Neubeschickung zu verringern. Möglichst soll die Kernlebensdauer mit der Lebensdauer des übrigen Kraftwerkes, d. h. mit derjenigen der Dampfturbinen und der zugehörigen Ausrüstung vergleichbar sein. Diese Forderung wird durch die bekannten Reaktoren nicht erfüllt.

Die Lebensdauer eines Reaktors hängt einerseits von der Stabilität des Brennstoffs gegen Strahlungsschäden und andererseits von den Neutronenverhält- nissen im Reaktorfeld ab. Die Erfindung befaßt sich nur mit dem letzteren Gebiet.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die anfänglichen Einsatzmengen des spaltbaren und des brutfähigen Materials und der Um-

■ 5 wandlungsfaktor r des Reaktors unter Berücksichtigung der Neutronenverluste so gewählt sind, daß die Beziehung

r ^ 1 - £(0) =
erfüllt ist, wobei

1 + R(O) R(O)

+ R(O)

und £(0) und R(O) die Werte von EU) und R(t) zu Beginn des Reaktorbetriebes bedeuten.

2. Konversionsreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der anfängliche Spaltstoffgehalt £(0) so groß ist, daß während des größten Teils der Lebensdauer des Kernreaktors der Umwandlungsfaktor r erheblich größer als (1 - £(0)) bleibt.

3. Konversionsreaktor nach Anspruch 1 oder 2 vom Schwerwassertyp, dessen Spaltstoff U₂₃₈ als brutfähiges Material enthält, dadurch gekennzeichnet, daß ein neutronenstreuendes Material mit dem brutfähigen Material im Spaltstoff vermischt ist.

4. Konversionsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anfangswerte des Umwandlungsfaktors etwa 0,8 und des Spaltstoffgehalts etwa 0,3 betragen.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Konversionsreaktor mit dem Umwandlungsfaktor r, dem Spaltstoffverhältnis R(t) von spaltbarem zu brutfähigem Material zu einem Zeitpunkt t und dem Spaltstoffgehalt £(t), der definiert ist duch

^h[t} ~ 1 + R(f) ·

Solche Konversionsreaktoren enthalten ei 1 brutfähiges Material, das im Verlauf des Reaktorbetriebes in spaltbares Material umgewandelt wird. Bei den bekannten Konversionsreaktoren ist der Anfangsgehalt an Spaltstoff ziemlich klein und liegt in der Größenordnung von 5%. Ein Konverter enthält z. B. als brutfähiges Material U₂₁₈ und als Spaltstoff anfangs 5% U₂₃₅, U₂₃₃ oder Plutonium.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine große Kcrnlebensdauer des Reaktors zu erreichen,

R(O)

erfüllt ist', wobei

R(O)

+ R(O)

und £(0) und R(O) die Werte von EU) und R(t) zu Beginn des Reaktorbetriebes bedeuten.

In den bekannten Konvertern ist der Brennstoff anfänglich nur wenig mit spaltbaren Isotopen angereichert, im allgemeinen weniger als 5%. Bei solchen Spaltstoffgehalten sind Umwandlungsfaktoren im Bereich von 0,6 bis 0,9 erzielbar, die nicht mit der oben angegebenen Bedingung in Einklang stehen. Solche Spaltstoffgehalte ergeben nur eine geringe Verlängerung der Reaktorlebensdauer. Der erfindungsgemäße Kernreaktor hat einen hohen anfänglichen Spaltstoffgehalt, beispielsweise 30 statt 5%. Das bedeutet einen radikalen Bruch mit den bisher in der Fachwelt verbreiteten Vorstellungen.

Der Umwandlungsfaktor und der Spaltstoffgehalt, d. h. der Vorrat an brutfähigem Material, sollen also zu Beginn des Reaktorbetriebes eine bestimmte gegenseitige Relation zueinander erfüllen. Da der Umwandlungsfaktor nur unter Schwierigkeiten einen gewissen Wert überschreiten kann und im Verlauf des Reaktorbetriebes im allgemeinen allmählich abnimmt, wird vorzugsweise der anfängliche Spaltstoffgehalt £(0) so groß gewählt, daß während des größten Teils der Lebensdauer des Kernreaktors der Umwandlungsfaktor r erheblich größer als (1 —£(0)) bleibt.

Wenn der Reaktor vom Schwerwassertyp ist und U₂₃₈ als brutfähiges Spaltstoffmaterial enthält, dessen Neutronenquerschnitt verhältnismäßig gering ist, läßt sich der Umwandlungsfaktor dadurch auf einen passenden Wert bringen, daß ein Neutronen streuendes Material mit dem brutfähigen Material im Spaltstoff vermischt wird. Statt dessen kann auch der Moderator mit dem Brennstoff so vermischt sein, daß die brutfähigen Stoffe einem starken Neutronenbeschuß ausgesetzt sind. Derartige Maßnahmen zur Verbesserung des Umwandlungsfaktors sind an sich in der Reaktortechnik bekannt, wie z. B. die DT-ASen 10 18 170, die 1027 808 und 1097 050 zeigen.

Der Unterschied zwischen der Erfindung und dem Stand der Technik sei beispielsweise an Hand des in der GB-PS 9 13 653 beschriebenen Konversionsreaktors erläutert. Er enthält ThO₂ als brutfähiges

Material und UO₂ als spaltbares Material in einer Menge, die dem Spaltverhältnis R(O) = 0,043 entspricht.
Somit ist nach der Formel

Teilt man Zähler und Nenner der rechten Seite durch Nj-(O), so erhält man

N_s(0)

B(O ₊ rB(t)

1 + R(O)

1,043

= 0,96.

R(t) =

N_x(O)

1 -

rB(t) N_x(O)

Dieser Wert ist größer als das Umwandlungsverhältnis r, das bei dem beschriebenen Konversionsreaktor den Wert 0,55 hat. Die Bedingungen der vorliegenden Erfindung sind also nicht erfüllt.

Um diese Bedingungen bei einem Reaktor des in der GB-PS 9 13 653 beschriebenen Typs zu erfüllen, müssen die konstruktiven Bedingungen und/oder die Einsatzmengen im Rahmen der technischen Möglichkeiten entsprechend abgeändert werden. Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß das Spaltstoffverhältnis auf 30% und der Umwandlungsfaktor r auf etwa 0,8 erhöht werden. Letzteres läßt sich, wie erwähnt, vorzugsweise dadurch bewerkstelligen, daß ein Neutronen streuendes Material mit dem brutfähigen Material im Spaltstoff vermischt ist.

Die Erfindung beruht auf den nachstehenden theoretischen Überlegungen, wobei folgende Bezeichnungen benutzt werden:

N₅(O) = Zahl der spaltbaren Atome bei Betriebsbeginn.

N_s(t) = Anzahl der spaltbaren Atome zur Zeit f

nach Betriebsbeginn.

N_x(O) = Anzahl der brutfähigen Atome bei Betriebsbeginn.

N_x (t) — Anzahl der brutfähigen Atome zur Zeit t

nach Betriebsbeginn.

r = Brennzeit des Reaktors, r == Umwandlungsfaktor.

B(O = Anzahl der in der Zeit f abgebrannten spaltbaren Atome.

£(0) = Anfänglicher Spaltstoffgehalt, d. h. Verhältnis der spaltbaren Atome zur Summe der spaltbaren und brutfahigen Atome im Zeitpunkt 0.

E(t) = Spaltstoffgehalt nach der Zeit f.

R(O) = Anfängliches Spaltstoffverhältnis = Verhältnis der spaltbaren Atome zu. den brutfahigen Atomen im Zeitpunkt 0.

R(t) = Spaltstoffverhältnis im Zeitpunkt i.

R(O) - (1 - r)

R(t) =
Setzt man nun

so erhält man

R(t) =

B(t) N_x(O)

1 - r

Bjt)

N_x(O)

B(O

N_x(O) '

K(O) - (1 - r)t 1 - rt

Gleichung (6) ist eine Kurvenschar mit den Parametern R(O) und (r). Um zu bestimmen, wie R(t) als Funktion von (t) sich ändert, setzt man

dR(t)

= 0.

Das gibt

Nun ist nach Definition der Spaltstoffgehalt E(t) gegeben durch

NM R(t)

E(t) =

R(t)

R(O)

1 + H(O)

(10)

Die Kombination von Gleichung (8) und (10) ergibt £(0)

- B(t) + rB(t).

(1)

Nach Definition ist

r = 1

R(O)

B(O

N_x(C) = N_x(O) - rB(t).

55 1 + R(O)

(2) 1 + R(O) "

(H)

(12)

(13)

Teilt man Gleichung (1) durch Gleichung (2), so ergibt sich

NM _ N,(0) - JB(Q + rB(t) N_x(O N_x(O) - rB(t)

(3)

65

Die linke Seite von Gleichung (3) ist nach Definition R(t).

Setzt man (12) in (6) ein, so ergibt sich R(t) - R(O), wenn (12) erfüllt ist.

Diese Ableitung lehrt folgendes: Wenn der anfängliche Spaltstoffgehalt £(0) gleich Eins minus dem Umwandlungsfaktor r ist, so bleibt der Spaltstoffgehalt mit der Zeit konstant; wenn der Umwandlungsfaktor r größer als der entsprechende Wert des Spaltstoffgehalts £(0) ist, so nimmt der Spaltstoffgehalt mit der Zeit zu. Somit gilt:

Für

+ R (O)

ist R(t) konstant und gleich R(O).
Für

1 +

nimmt R(t) mit der Zeit f zu.
Für

r <

1 + R(O)

15 64379	0,30	6	r
	0,40		0,70
	0,50		0,60
	0,60		0,50
5	0,70		0,40
	0,80		0,30
	0,90		0,20
			0,10
IO
Tabelle II

nimmt R{t) als Funktion der Zeit t ab.
Nun gilt

RU)

E U) =

Somit nimmt für

r >

1 + RU)

1
1 + Ä(0)

Änderung des Spaltstoffgehaltes mit dem Abbrand

Anfänglicher Spaltstoffgehalt £(0) = 0,30
Konstanter Umwandlungsfaktor r — 0,80

E(t) als Funktion der Zeit zu.

Da die Reaktivität eine direkte Funktion von E(t) ist, steigt in diesem Fall auch die Reaktivität mit der Zeit. Die Bedingung

ist also anzustreben.

Es sei nun in Übereinstimmung mit der bisher üblichen Konstruktion R(O) gleich nur 0,05. Dann ist die obige Bedingung nur erfüllt, wenn r größer als

20 Abbrand	Spaltstoffmenge	Brutstoffmenge	£(0
B(O	Nß)	NfU)
0,0	0,30	0,70	0,300
0,1	" 0,28	0,62	0,311
25 0,2	0,26	0,54	0,325
0,3	0,24	0,46	0,342
0,4	0,22	0,38	0,367
0,5	0,20	0,30	0,400
30 0,6	0,18	0,22	0,450
0,7	0,16	0,14	0,533
0,8	0,14	0,06	0,700

1 + 0,05

= 0,94

Da r im allgemeinen wesentlich kleiner als 1 ist, läßt sich die gewünschte Ungleichung nicht leicht erfüllen. Ist dagegen R(O) größer als etwa 0,30, so muß r nur größer sein als

1,30

= 0,77,

und diese Bedingung läßt sich leicht erfüllen. Beispielsweise übersteigt ein Umwandlungsfaktor zwischen 0,8 und 0,9, wie er meist vorliegt, bereits den Wert 0,77. In der nachfolgenden Tabelle I sind die Umwandlungsfaktoren r und die entsprechenden kritischen Spaltstoffgehalte £(0) gemäß Gleichung (11) verzeichnet. Die Tabelle II zeigt als Beispiel, wie der Spaltstoffgehalt als Funktion der Zeit für einen Reaktor zunimmt, der einen konstanten Umwandlungsfaktor r von 0,8 und einen anfänglichen Spaltstoffgehalt £(0) von 30% besitzt.

Tabelle I

Kritische Werte für verschiedene anfängliche

Spaltstoffgehalte und entsprechende

Umwandlungsfaktoren

	r
0,10 0,20	0,90 0,80

Zwar können Reaktoren mit konstantem Umwandlungsfaktor r im allgemeinen nicht gebaut werden, aber es kann ein Kernreaktor gebaut werden, dessen Umwandlungsfaktor r während eines erheblichen Teils seiner Lebensdauer stets über dem entsprechenden kritischen Umwandlungsfaktor bleibt.

Damit steht fest, daß bei Erfüllung der genannten Bedingung das Verhältnis von spaltbaren zu fruchtbaren Atomen in einem so gebauten Kernreaktor mit der Zeit zunimmt und ständig größer wird, bis kein fruchtbares Material mehr vorhanden ist.

Mit Ausnahme extrem kompakter Reaktoren, bei denen der Neutronenabfluß aus dem System überwiegt, ist die Reaktivität hauptsächlich durch das Verhältnis von spaltbarem zu brutfahigem Material bestimmt. Durch Leckverluste oder durch Absorption im Moderator oder konstruktiven Teilen verlorengehende Neutronen haben im allgemeinen einen geringen Anteil im Vergleich zu der Anzahl der im spaltbaren und brutfähigen Material absorbierten Neutronen. Der Spaltstoffgehalt ist in diesem Fall direkt mit der Reaktivität des Reaktors verknüpft. Werden solche Reaktoren erfindungsgemäß mit über dem kritischen Spaltstoffgehalt liegenden Umwandlungsfaktoren betrieben, so nimmt der Spaltstoffgehalt stets zu, und die Reaktivität steigt ebenfalls, wobei zunächst von der Reaktorvergiftung durch Spaltprodukte und Spektraleffekten abgesehen sei. Durch passende Wahl des anfänglichen Spaltstoffgehaltes und des anfänglichen Umwandlungsfaktors läßt sich dann ein erfindungsgemäßer Kernreaktor bauen, bei dem die Tendenz zunehmender Reaktivität durch zunehmenden Spaltstoffgehalt anderen den Spaltstoffgehalt verringernden Tendenzen, also insbesondere der Reaktorvergiftung,

weitgehend entgegenwirkt. Somit läßt sich bei einem solchen Reaktor mit einfachsten Mitteln eine verhältnismäßig lange Kernlebensdauer erzielen.

Die erforderlichen Umwandlungsfaktoren können leicht erreicht werden. Beispielsweise lassen sich in großen Schwerwasserreaktoren Umwandlungsfaktoren über 0,8, anfänglich sogar über 0,9, praktisch ohne weiteres erzielen. In diesem Fall ist ein anfänglicher Spaltstoffgehalt zwischen 10 und 20% empfehlenswert. Bei den Reaktoren, bei denen das brutfähige Material U₂₃₈ ist, muß auf den verhältnismäßig geringen Neutronenquerschnitt dieses Materials geachtet werden. Wegen dieses geringen Neutronenquerschnitts ist die Neutronenabsorption, die zur Umwandlung von fruchtbarem Material in spaltbares Material führt, gering. Diese Schwierigkeit läßt sich durch Einführung von Streuzentren in das Brennstoffelement beheben. Das streuende Material hat die Wirkung, daß die Resonanzabsorption des brutfähigen Materials (U₂₃₈) gesteigert wird und damit ein hoher Umwandlungsfaktor auch bei zunehmendem Spaltstoffgehalt bestehen bleibt. Ähnliche Maßnahmen sollen bei Reaktoren mit gewöhnlichem Wasser oder anderen Moderatoren verwendet werden. Für diese Systeme ist der Umwandlungsfaktor im allgemeinen kleiner als bei Schwerwasserreaktoren, und die entsprechenden kritischen Spaltstoffgehalte sind etwas höher. Das Erfindungsprinzip bleibt aber trotzdem bestehen.

In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 die schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung und

F i g. 2 eine Kurvenschar zur Erläuterung der Erfindung.

F i g. 1 zeigt einen Kernreaktor vom Konvertertyp mit einem Behälter 11, in dem sich ein Kern 12 mit Brennstoffelementen 15 befindet. Die Elemente 15 haben einen hohen anfänglichen Spaltstoffgehalt, und der Moderator und der Brennstoff sind so vermischt, daß die brutfähigen Stoffe einem starken Neutronenbeschuß ausgesetzt sind, so daß ein hoher Umwandlungsfaktor erzielbar ist. Der Reaktorkern enthält ferner die üblichen Steuerstäbe 17, die durch Betätigungsstäbe 25 betätigt werden. Die unteren Enden der Steuerstäbe sind bei 23 sichtbar. Der Behälter weist einen Wassereinlaß 19 und einen Wasserauslaß 21 auf.

In F i g. 2 ist das Verhältnis R(t) von spaltbarem und brutfähigem Material als Funktion der Zeit für verschiedene Werte von ?· aufgezeichnet, wobei angenommen ist R(O) = 0,3. Wie man sieht, gilt für

r =

1 + Ä(0)

= 0,77

die Beziehung R(t) = R(O).

Für r < 0,77 nimmt R(t) als Funktion der Zeit ab, während für r > 0,77 das Verhältnis R(t) als Funktion der Zeit wächst.

Wegen

E(t) =

R(t)

R(t)

nimmt auch E(t) mit R(t) zu. aber langsamer. Wenn r 0,77 übersteigt, wächst E(t) mit zunehmendem Reaktorabbrand, und die Reaktivität steigt entsprechend.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 509 646/33

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Konversionsreaktor mit dem Umwandlungsfaktor/·, dem Spaltstoffverhältnis R(t) von spaltbarem zu brutfiihigem Material zu einem Zeitpunkt f und dem Spaltstoffgehalt £(f), der definiert ist durch