DE1614912A1 - Anordnung zur Regelung von fluessigmetallgekuehlten Kernreaktoren - Google Patents

Description

ALEXANDER R. HERZFEL0 \·« RECHTSANWALT Bt* 161 49 T IEI DEN IANISQEIUCHnN MANNHEIM U.

Anmelderin:

UNIiED STATES ATOMIC EMEGI COMMISSION

Anordnung zur Regelung von flüssigmetallgekühlten KernrealEtoren. '

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Regelung _;von flüssigmetallgekühlten Kernreaktpren, insbesondere vpn schnellen Brutreaktoren, .

In Kernreaktoren bekannter Bauart erfolgt die Leistungsregelung durch Veränderung der Neutronenabsorption, beispielsweise durch Einstellung von Regelstäben im/Reaktorkern. Der erzielte Wirkungsgrad ist jedoch unbefriedigend. Dies ist z.T. auf örtlichen Leistungsabiall in der Mhe der Eegelstäbe zurückzuführen, sodaß zur Erzielung der gewünschten Ausgangsleistung die Gesamtreaktivität ent-" sprechend erab'ht werden -muss* Als weiterer, iN'achteil ergibt sich die Notwendigkeit Ser Brennstofferneuerung vor Erreichen· des theoretischen Maximalabbrands um eine-Regeluiig während der eesamtbetriebszeit zu . ermöglichen ο

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Der Reaktorkern muss daher mit einem hohen Reaktivitäta-* überschuss aufgelegt werden, und seine .Nutzungsdauer wird durch die Regelstabe begrenzt. Auch verursachen die Regelstabe Beutronenflusstörungen und eine ungleichmässige Verteilung der Energieerzeugung im Reaktorkern. Ferner muss Vorsorge getroffen werden,, uni ein Festfressen der Eegelstabe soweit wie möglich auszuschalten. 2ur Vermeidung dieser wachtcile ist für wassergekühlte Reaktoren bereite vorgeschlagen worden, zur Beeinflussung der ivioderierung eine Spektralverschiebung· der .uoderator- und Kuhlfldssig^eiT; vorzunehmen. 3o schlägt z.B. das DBP 1 065 94-9 zur Erzielung einer verhältnismässig langfristigen Reaktivitätsregelung die Änderung des Konzentrations verhältnissey von Schwerwasser und Leicutwasser vor. Eine befriedigende negölung von flüssigjiietallgekühlten-- schnellen Reaktoren, die nach neuerer Erkenntnis auch als Brutreaktoren eingesetzt werden körnen ist jedocn bisher nicht vorgeschlagen werden.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine Anordnung zur Regelung von flüssigi.ietallgekühl"Den schnellen Reaktoren, insbesondere schnellen Brutreaktoren bereitzustellen., durch die die Reaktivität und gegebenenfalls das Brutverhältnis des Reaktors durch Spektralverschiebung des Kühlmittels geregelt werden kann.

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Die Auf gäbe wird durch die erf induhgsgemäs se. Regelanordnung gelöst, gemäss der dei flüssigmetallgekühlte Kernreaktor mit einem Abzvreigkröislaüf ausgestattet wird, durch den ein l'eil des dem Hauptkreislauf entnoiflmenen Hatrium Iiithium Elüssigkühimittels durch eine entsprechende Menge

-.Kühlmittel mit einer zu? änderung des ^eutronenquerSchnitts · geänderten I/lthiumkonzentratlon ersetzt wird.

'Da In schnellen Reaktoren ein. iäaderatpr grundsätzlich fehlt, muss es als unerwartet und überraschend -bezeichnet werden, dass einöι Reaktorregelung;-unter ,Fortfallvon Begelstäben

durch Spektralverschiebung des Kühlmittels erfolgen kann und die ermähnten Schwierigki&Iten ausschaltet. Die bekannten flüssigmetallg.ekühlten^Reak^oren, so z.B. der unter Verwendung von flüssigem Natrium gekühlte Reaktor gem.. U.S.A. Patent 3 14O 23$ % der Infeige ctet¹ guten Wärmeaustauschräiiigkelt und des geringeü. Köderierungsei'fekts von-.flussifee-iü. iiatrium besonders günstig als schneller Reaktor arbeitet,verwenden zur ÄbsorptIon.^^^ überschüssiger iieutronen. daher Hegelstäbe.

Die Erfirtdung^^ kann bsspnders vorteilhaft füo? schnelle BrutreaktoreB Ver^enoung.finden._; jährend des Betriebs eines schnellen Brüters ändert öieiv das Verhältnis von Brutiaaterial und Spalts soff und damit die Reaktivität des Reaktors mit f ortschreitendem Abbrand de s * Spalt st of fs und la uf eiider Umwandlung von: Erutmaterial In spaltbares material.* Durch fortlaufende Einstellung des V«rhältnisses von >i

durch das Brutmaterial und Spaltung des Spaltstoffs, z.B. durch Erhöhung oder Herabsetzung der relativen Absopption des ärutmaterials kann eine,Konstanthaltung der Reaktivität

erreicht werden. Mach der erf iadungs^emassen Anordnung kann diese unter Einhaltung der kritischen Grenze erforderliche !Neutronenabsorption -auch ohne Regelstäbe erreicht werden,, sodaß in jedem Stadium der Nutzungsdauer dass für einen maximalen Abbrand optimale iTeütronenspektrum zur Verfügung · steht. . ,

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Die Erfindung sei an Hand der Zeichnungen näfeer erläutert«. Es zeigen:' *

"5¹Ig^-UT-I ein Schaubild der Abhängigkeit von Reaktivität und Brutwirkung vom Lithiumgehalt in einem na^riumgekühltenscnnellen Reaktor;

HTigur 2 das iiatriia[Hi-Lithium Phasendiagraiiim; Figur $ ein Schema der eriindungs^emässen Anordnung.

Die Erfindung kann beispielsweise bei einem Reaktor Anwendung finden, der mit flüssigem ifatr-ium gekühlt wird. Zur Änderung» des iveutronenquerschnitts des Kühlmittels wird sein Gehalt an Lithium entsprechend eingestellt, sodass sich die aus der Figur 1 ersichtliche Änderung von Reaktivität und Brutwirkung ergibt. Eine' Erhöhung der Lithiumkonzentratjion fuhrt dabei zu einem Abfall der Reaktivität, da eine Spektralvursciiiebuiig des Kühlmittel si zum Lithiun. mit seinem niedrigeren Atomgewicht und stärkerei· Moderierung sowie dem etwa 7 %

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des'natürlich vorkommenden Lithlünis ausmachenden-Isotops ^:. '"

Li mit seiner stärkeren ifeutronenabsorptioneintiatt.

Das Natrium wirkt auf den Heutrpneni'luss in einem iron dem Energieniveau der durch die Kernspaltung freiwerdenden."-," Neutronen "abhängigen Mäasee u.a. durch unelastische: Neutronenstreüung, elastische leutronenstreuung und ; neutronenabsorption «in. Die statistisOhe Wahrsch%inliehKeit des Eintritts einer dieser. Wirkungen wird als iveutronen-; querschnitt "bezeichnet. Durch Zusatz von Lithium wird der Querschnitt von Natrium beispielsweise derart geändert, dass in einem beütimmten Energiebereich eine höhere Lithiumkonzentration ?u. einer¹.Terringerung der unelastischen x^eutronenstreuung und einer Erhöhung der elastischen _v · iieutronenstreuung führt, mit dem Ergebnis, dass eine' geringfügige Inderung der Heäktivität des E;eaktors e intritt,

Die änderung der Lithiumkohzentration kann mit der in !"ig&r 3 schematisch dargestellten: Anordnung erfoigen· Der Kernreaktor 10 wird mit-dem durch die'BMpe 12 geforderten flüssigen Natrium im Durchlauf gekühlt. In dem Wärmeaustauscher 14, beispielsweise einem Dampfgenerator oder^ einem anderen Dampfverbraucher erfolgt die Wärmeabgabe des indem Reaktorkern erhitzten la triiims. .

Zur Regelung der Reaktivität des Reaktors dur©h;~1lnderung des in dem Hatrium gelösten Lithiuiftanteils^; wird der Abzweig--kreislauf 16 an den aus Reaktor,; Eärmeaustauscher und " iumpe gebiideten Hauptkreislaüf angeschlossen. Er besteht ' dem Ab ζ agf ventil 18, dem Kondensator oder Äquiiibrator

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und dem^: Kühler 24. Der Äqüilibrator ist mit einer" über- die Leitungen 28 und 32 mit dem Kühler 24 verbundenen ¥/ärmeaüstauscherschlange 2b versehen, durch die-vermittels der Kreislauipumpe 34 Kühlflüssigkeit vom und zum Kühler 24 gefördert wird. Der Kühler kann mit Wasserkühlung oder einem anderen geeigneten Kühlmittel arbeiten. Das durch das Abzapfventil 1ö dem Äbzweigkreislauf zugeführte natrium- wird durch den Verteiler Jb in den Äqüilibrator 22 eingespritzt und vom Boden desselben mittels der.Pumpe 38 wieder in den

Hauptkreislauf eingerührt?.. Vermittels einer geeigneten xt-egelvorriehtung des Kühlers 24 v.ird die Temperatur des die Wärmeaustauscherschlange 2b durchlaufenden Kühlmittels geregelt.

Die Arbeitsweise der Anordnung sei durcn das folgender Beispiel erläutert, wobei die Eingangs- und Ausgaggsfeiaperatur des -. Reaktors 425 bzw. b50 ⁰G betrafen soll. Ferner wird angenommen, daß die Änderung der Lithiumkonzentration in dem Bereich , von 10 Atom ~/o Li - 90 Atom % Ua bis 20 Atom jo Li - 80 % Na ™ erfolgen soll.

Der Äqüilibrator 22 enthält eine natriumreiche Phase und eine Lithiumreiche Ehase mit eineüi Temperaturregelbereich von 180 - 300 ⁰C. Die Temperaturre^slung erfolgt durch den Kühler 24 und die Wärmeaustauscherschlange 26. Da die Temperatur / der Wärmeaustauscherschlange in Jedem !Falle höher ist, als die Temperatur in dem Iquilibrator 22 bestiimat sich die Semperaturregelung allein nach der abgegebenen Ϋ/ärmemenge.

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Das dujcciideii Yertfciler 36; in äeja Equilibrator 22 eingespritzte isiiiiliaittel schlagt sich durch die Lithiuiureiclie Phase unter Einstellujig des Gleichgewichts iait dieser Hiase au. Säen -" des Äqtilibrators nieder und hat sodann eine seiner "ieajeratur entsprechende und dem Hmsendiagramiii zu* entnehmende Züsaaaensetzun_&. Eine Änderung der ZusammensetZUiig £,egs~ü"o.er der Zusammensetzung des Knhlaiit t eis bei Eintritt in des. £quiliDX*ator wird somit ;durch Inderunjg der Temperatur in dem Äquilihrator erreicht. Die am Boden, des Äquilihxatörs abgesetzte j?liisssifc— keit ,Mit - gegebenenfalls geänderter Zusn^iieii^etZUn^ v sodanix durcn die l-uape 38 wieder dem Ka ujt kr ei si auf sodaji bifixken gegebener Frist sick die 2usanHrieiisetzung des Künlfliitifcfcls in dea Eeaktor 10 der der riatriuiiireiGiien rhase in dem Equilibrator>■ _kn annähert * Dabei kann die "juia.er.uug.sdauer durch Einstellen des ^bzapx'veiitils 18 geregelt werdeii. Die iaeiafee der litJLiuiBreichen Jrhase in üem iiqUiiibraror 2^ rxöntet. sicia nach der z-useiaiEeiisetzung aes Kühlmittels. . ". ■ Weist das Kühlmittel hohen iVithiumgeiialfc auf, so ist der Anteil der lit^iusreich-si* Ihase_ xä dem liCLUilibratör vernaltnis— massig. geirli% und- die AnIa^ muss so ausgelegt wsrae^, dSii die geringe iiei^e der lithiussreici±,en i-hase ausreicht,, uhs die 'ifäiaseaustauscßerschlange 2& aa ttedeeiceji. und' das GIeicn— fe-ewiclit axt des durch den Yer-cexler- jb" ein^eiiinr^teii Kühl -- f π-c herzustellen. Bei niedriger' 'Iritaziwasi^onzanura tiön- ces mittels Müst übt equilibrator .'gro.: ■ _fcenug Bein, um die sig i-x-csse klenge "der lititii2Si:-eicii&ii. Phase zusate-iicii zu

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der na tr iumr eichen. Phase zu fassen.

Tm Gegensatz zu dieser vernältnisinässig langsam erfolgenden Regelung der LithiuHikonzentralJion kann zur manchmal erforderlichen schnellen Reaktivitätsänderung des Reaktors der Regelkreislauf folgendermassen ausgebildet werden.. Das Abzapfventil· 18 wird abgeschaltet und die Kreislaufpumpe mit maximalem Durchlauf betrieben. Die natriumreiche

Phase wird aus dem iiquilibrator zuerst abgezogen und in den Kühlmittelkreislauf wieder eingeführt; sodann wird die lithiuaireiche Phase dem Kühlmittelkreislauf direkt zugeführt. Wird hierbei darauf"geachtet, daß die Kühlmitteltemperatur nicht auf einer, bestimmten Temperaturwert - im vorliegenden Beispiel 300 ⁰C absinkt, so ist die gesamte lithiumreiche Phase im Kühlmittel löslich und es erfolgt ein schneller Anstieg, der Lithiumkonzentration in dem Kühlmittel auf den gewünschten Höchstwert. · ■

Der Kühler 24 kann in Abhängigkeit von der !Temperatur des Reaktorkühlmittels automatisch geregelt werden, um einen

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Höchs't.vert der jxeaktorausgangstemperatur oder der Dampfgeneratoraubgari^steraperatur einzustellen. Auch das Ventil 18 und die rjz-eislaufpuiu^e 38 können- durch den Temperatur- bzw. Te_peraturänderungswert des Reaktorkühlmittels geregelt werden.

Eiii weseii-clicher Vorteil der erfinäungsgemässen Anordnung ist in der im Gegensatz zu Re_&elstäben erreichten gleichmässigeren Verteilung des Reaktivitatsreglers im Reaktorkern zu erblicken. Der Wegfall der Ee^elstabe ermöglicht einen Reaktorbau in kompaktbauweise und gewährleistet einen wirtschaftlicheren

BADORiQlNAL

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Abbrand» Der Abbrand erreicht nahezu de^. zulässigen Maximalwert sodaSö auch die Lebensdauer des Reaktorkerh verlangeEt wird. Die gieichmässigere Verteilung der Reaktivität hat: weiterhin eine erhöhte Dichte bei gegebener'Bäugrösse des Reaktors zur Folge. Die Anordnung ist daher besonders vorteilhaft für grosse Eraftwerksanlagen unter Verwehdung von hatriumgekühlten schnellen Brütern einsetzbar> jis; entfallen die storungsänf äiligen. me chanischen und eiektrisehen Virriehtungen vzjür Betätigung von Regelstäben, was insbesondere für die Verwendung für ferngesteuerte und wartungslose Ahlagenv z.B.^: in der Raumfahrt Bedeutung hat. - -:-- . - ν ■"■ - ~yy'y~'::_: '/.-__

Claims (3)

/O Patentansprüche

1. Anordnung zur Regelung von flüssigmetallgekühlten Kernreaktoren durch Spektra!verschiebung des Kühlmittels, gekennzeichnet durch einen Ab zweigkreis lauf, durch den ein Teil des dem Hauptkreislauf entnommenen Natrium - Lithium Flüssigkühlmittels durch eine entsprechende Menge Kühlmittel mit einer zur Änderung des Heutronenquerschnitts geänderten

w Lithiuaikonzentration ersetzt wird. .

2. Anordnung geiiiass Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet* daß zur Änderung der Lithiumkonzentration in dem Abzweigkreislauf ein Natrium und Lithium in einer· natriumreichen und in einer lithiumreichen Phase enthaltender !equilibrator vorgesehen ist.

3. Anordnung gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet;, daß zur Trennung der natriumreichen und der lithiumreichen Phase in dem Iquilibrator eine Temperaturregelvorriehtung vorgesehen

B ist. ;