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Verfahren zum Betrieb eines Kernreaktors Die Erfindung bezieht sich
auf Kernreaktoren und auf mit Brennstoff in schmelzfliissigem Zustand enthaltenden
Mehrfachreaktorteilen in Verbindung stehende Systeme und betrifft insbesondere ein
Verfahren zum Betrieb eines Kernreaktors, mittels dessen beim Reaktorbetrieb der
Gesamtabbrand des Brennstoff es durch Beseitigung (Abfuhr) neutronenabsorbierender
Spaltprodukte aus der Spaltzone erhöht wird.
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In der Praxis ist es nach dem bisherigen Stande der Technik beim Betrieb
von Kernreaktoren tiblich, und zwar sogar bis zur Grenze des Einrichtens komplizierter
Warnvorrichtungen, jeglichen zum Schmelzen des spaltbaren Brennstoffes ftlhrenden
Betrieb zu vermeiden. Der Grund für die Vermeidung eines solchen Zustandes liegt
in i.) dem ziemlich hohen Wärmedehnungskoeffizienten und der bei
Phasenübergang
auftretenden Volumenvergrösserung von Thorium-, Uran- und Plutoniumoxiden, die ein
Reissen oder eine bedenkliohe Schwächung der diese Stoife enthaltenden Umhüllung
bewirken könnte, 2,) der Schwierigkeit des Erreichens der zur Abfuhr von Energie
aus dem spaltbaren Brennstoff in schmelzflüssigem Zustand notwendigen extrem hohen
Wärmeübergangzahl; 3.) dem Schmelzen oder der bedenklichen Schwächung der sich aus
Zirkonium- und rostfreien Stahllegierungen nach dem bisherigen Stande der Technik
zusammensetzende UmhUllungen bei dem Temperaturen des schmelzflüssigen Brennstoff
5 und 4.) dem allgemeinen Fehlen von praktischem Wissen sowie von Techniken zum
Erreichen genau gesteuerter Temperaturgefälle in dem und längs des Elementes aus
spaltbarem Brennstoff.
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Aus den vorstehend aufgezählten Gründen wurde es bisher als betriebssicherer
angesehen, ein Schmelzen des Brennstoffes zu vermeiden und ihn in seiner Umhüllung
in festen Zustand und unbeweglioh zu halten. In diesem statischen Zustand haben
bestimmte, beim Spalten des spaltbaren Brennstoffes entstehende Spaltprodukte einen
grossen Neutroneneinfangquersolmitt und bleiben mit der möglichen Ausnahme von wenigen
sehr flffehtigen Spaltprodukten in im wesentlichen gleichmässiger Weise über den
gesamten spaltbaren Brennstoff verteilt. Zu den wichtigen Spaltprodukten
nit
großen Neutroneneinfangquerschnitt gehören - ohne jedoch auf diese begrenzt zu sein
- Krypton, Xenon, Jod, Cäsium, Ruthenium, Molybdän und Rhodium. Diese Spaltprodukte
neigen bei ihren Entstehen in der spaltbaren Brennstofimaese zum Verringern der
Neutronenvermehrung (Neutronenmultiplikation) durch Einfangen einer zunehmenden
Anzahl von Neutronen, die sie aus dem Spaltprozess (Spaltungsreaktion) entiernen,
Demzufolge kann ein starker Anfall von neutronenabsorbierenden Spaltprodukten in
der Bre1 stoffrasse, selbst wenn auch erhebliche Mengen spaltbaren Brennstoff es
vorhanden sind, gegebenenfalls einen durch sich selbst unterhaltenen Spaltprozess
reduzieren oder verhindern.
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Diese Betriebibedingungen werden mit Hilfe des Verfahrens nach der
Erfindung vermieden, indem der Zustand schmelzflüssigen spaltbaren Brennstoffes
dazu ausgenutzt wird, um Jene Spaltprodukte automatisch aus der Spaltzone zu entiernen
und somit eine weitere Neutronenvervielfachung ohne grössere Störungen oder Beeinträchtigung
zu ermöglichen. Mit Brennstoff expansion, hohen Wärmeabfuhrnengen bzw. -geschwindigkeiten
sowie dem Sohmelzen oder Schwächen der Umhüllung bei hohen Temperaturen zusammenhängende
Problene werden mit Hilfe der neuesten praktischen Erkenntnissen und von gegen hohe
Temperaturen beständigen Legierungen gelöst.
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Das Verfahren nach der Erfindung ist im wesentlichen ein solches,
mittels dessen die Tenperaturhöhe und das Tenperaturgefälle an dem Brennstoffelenent
in der Weise gesteuert werden, dass entlalle der Innenfläche der Umhüllung eine
dünne Isolierschicht aus
festem spaltbarem Brennstoff gebildet wird
bzw. verbleibt und an den beiden Enden des Brennstoffelements ein steiles Temperaturgeiälle
entsteht, welches in diesen Bereichen den Brennstoff verfestigt, 8o dass ein ttTiegeltw
entsteht, in welchem das schmelzflüssige U02 unter dem Einfluss von Konvektionskräften
zirkuliert. Versuchsergebnisse haben gezeigt, dass aufgrund der Zirkulation die
unlöslichen Spaltprodukte sich mit einer höheren Dichte als U02 am unteren Ende
des Brennstoffelements niederschlagen, während sich die gasförmigen oder flüchtigen
Spaltprodukte am oberen Ende des Brennstoff elements ansammeln oder kondensieren.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist demzufolge in der Schaffung
eines Systems zum Betrieb eine Cornreaktors zu sehen, bei welchem der hoohgradige
Abbrand des spaltbaren Brennstoffs erzielt wird.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens
zun Betrieb eines Kernreaktors, bei welchem sehmelzflüssiger spaltbarer Brennstoff
als die Prinrwärmequelle des Reaktors verwendet wird.
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Ein noch weiteres Ziel der Erfindung iet die Schaffung eines Verfahrens
zum Betrieb eines Kernreaktors, bei welchem die Temperatur in Inneren des Brennstoffelements
so gesteuert wird, dass der Brennstoff an beiden Enden des Brennstoffelements fest
ist, und entlang der Innenfläche der Brennstoffumhüllung eine dünne Schicht aus
festem spaltbarem Brennstoff erhalten bleibt.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen typischen Kernreaktor,
bei welchem sich das Verfahren nach der Erfindung durchführen lässt, und Fig. 2
einen Längsschnitt durch einen typischen Brennstoffstab zur Verwendung in dem Kernreaktor
nach Fig. 1, bei welchem sic das Verfahren nach der Erfindung durchführen lässt.
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Die Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung entspricht
einem beliebigen typischen Kernreaktor mit einer Spaltzone, einem Kühlsystem und
einer Neutronenflussregeleinrichtung, wie beispielsweise in der Spaltzone angeordneten
neutronenabsorbierenden Regel stäben oder um den Aussenumfang der Spaltzone herum
angeordneten Neutronenref lektoren. Ein solcher typischer Kernreaktor ist in Fig.
1 veranschaulicht, gemäss der mit spaltbarem Brennstoff gefüllte Stäbe 10 in Brennstoffelementen
11 angeordnet sind, die so angebracht sind, dass sie eine Spaltzone 12 abgrenzen,
bei welcher der untere Teil eine Zone 14 mit spaltbarem Brennstoff (innerhal M er
Klammern) und der obere Teil eine Moderator-Reflektorzone 15 abgrenzt. Die Spaltzone
12 ist von einem Gehäuse 16 umschlossen und wird von der Einlassleitung 17 aus mit
einem Kühlmittel, beispielsweise Natrium, beliefert, das in den Kant 18, die Überdruckkammer
19 zufliesst und durch die Zone 14 mit spaltbarem Brennstoff hochsteigt, wo es erhitzt
wird, dann durch die Moderator-
Reflektorzone 15 fliesst und über
die Auslassffnungen 20 aus der Spaltzone 12 austritt und dann den Reaktor über die
Abflussleitung 21 verlässt. Bei diesem besonderen Reaktor erfolgt die Neutronenflussregelung
mit Hilfe von Neutronenreflektoren 22, die in der Nähe der Brennstoffzone 14 um
den Aussenumfang des Gehäuses 16 herum angeordnet sind. Ein Absenken der Neutronenreflektoren
22 bewirkt einen vermehrten Neutronenausfluss aus der Spaltzone 12 und somit eine
Verringerung der Reaktorreaktivität. Ein Hochführen der Reflektoren 22 bewirkt ein
Reflektieren von mehr Neutronen in die Zone 14 mit spaltbarem Brennstoff zurück
und somit eine Steigerung der Reaktorreaktivität.
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Fig. 2 zeigt einen vergrösserten Längsschnitt durch ein typisches
Brennstoffelement 10 in dem Abschnitt der Zone 14 mit spaltbarem Brennstoff. Es
besteht im wesentlichen aus einer den spaltbaren Brennstoff zum Bilden eines gaSdichten
Bauteiles völlig umschliessenden Umhüllung 30. In einigen Fällen kann eine Abzugsöffnung
für gasförmige Spaltprodukte vorgesehen werden, jedoch sollen bei der dargestellten
Ausführungsform solche gasförmigen Spaltprodukte in dem Brennstoffstab zurückgehalten
werden.
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In Fig. 2 ist der typische Brennstoff stab 10 in seinem bevorzugten
Betriebszustand veranschaulicht. Der bevorzugte spaltbare Brennstoff für diese Ausführungsform
ist Uranoxid oder ein Gemisch aus Uranoxid und Plutoniumoxid oder aus Uranoxid
und
Thoriumoxid0 Für die Uranoxid verwendende Ausführungsform wird der Mittelabschnitt
31 in im allgemeinen über 28000C liegendem schmelzflüssigem Zustand gehalten. Eine
dünne Schicht 32 aus festem spaltbarem Brennstoff bleibt erhalten, indem die Wärmeleistung
des Brennstoff stabes und die Leitfähigkeit des Wärmeilussweges entlang der Innenfläche
der Umhüllung 30 so eingestellt werden, dass sie wie ein Isolator wirken, um zu
verhindern, dass schmelzflüssiger Brennstoff mit der UmhUllung 30 in Berührung kommt,
Die Umhüllung 30 kann entweder rostfreier Stahl oder Zirkonium sein, der bzw. das
mit Hilfe eines passenden Kühlmittelflusses auf einer zu dem spezifi -schen Zweck
für das Metall geeigneten Höchsttemperatur gehalten wird.
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Der obere Teil 33 aus festem Brennstoff und der untere Teil 34 aus
festem spaltbarem Brennstoff werden ebenfalls unter 28000C gehalten. Die Technik
zur Aufrechterhaltung dieser Temperatur kann aus der kombinierten Verwendung des
durch die Pieile 35 angedeuteten Kühlmittelstrones und von neutronenabsorbierenden
Trimmblechen 36 bestehen, die in der Zone 14 mit spaltbarem Brennstoff in der Nähe
oder in den oberen und unteren Ende des Brennstoff stabes 10 angeordnet sind. Im
allgemeinen beträgt bei flüssiges Natrium als KUhlmittel der abzuführende Wärmefluss
bei einer Temperatur des Kühlmittels zwischen 200 und 9000C etwa 2 x i06 x 2,713
koal/ m2h (2 x x06 BTU/hr/ft2). Indem die Reflektoren 22 und dir Kühlmitteldurchsatz
so eingestellt werden, dass diese auf
der Anzahl der Brennstoff
stäbe in der Spaltzone basierte Wärmemenge abgeführt wird, lässt sich ein wie in
Fig, 2 veranschaulichter zentraler Schmelzzustand erzielen.
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Wenn die vorstehend beschriebenen Betriebsbedingungen erfüllt sind,
hat der schmelzflüssige Brennstoff die Neigung, durch Konvektionswirkung in dem
zentralen Teil 31 der schmelzZlüssigen Zone in durch die Pfeile 37 angedeuteter
Richtung zu fliessen. Der schmelzflüssige Brennstoff steigt in der Mitte des zentralen
Abschnittes 31 hoch, da er heisser und spezifisch leichter ist, während der schmelzflüssige
Brennstoff angrenzend an die feste Schicht 32 absinkt, weil er kühler und spezifisch
sohwerer ist. Die gasförmigen Spaltprodukte, wie Xenon und Krypton, steigen hoch
und nehmen den durch den festen Brennstoffteil 39 abgegrenzten leeren Bereioh 38
ein oder entweichen durch Risse oder Korngrenzflächen weiter in eine zu diesem Zweck
vorgesehene Gaskammer 39 hinein. Ausserdem steigen die flüchtigen Spaltprodukte,
wie Jod und Cdsium, plus sonstige Erdalkalien ebenfalls in den Bereich 38 hoch mit
der Neigung, an der Innenfläche des festen Brennstoffteiles 33 zu kondensieren oder
sich an ihr anzusammeln. Man hat durch Versuche festgestellt, dass die edlen Spaltprodukte
Ruthenium, Molybdän und Rhodium dazu neigen, sich am Boden der schmelzflüssigen
Zone 31 an dem festen Teil 34 aus spaltbarem Brennstoff in metallischer Form abzulagern.
Auf diese Weise werden also diese neutronenabsorbierenden Spaltprodukte aus der
Hauptreaktionszone, d.h. aus dem zentralen Teil 31 der schmelzflüssigen Zone des
Brennstoff stabes 10, entfernt.
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Ferner ist zu bemekren, dass aufgrund der Konvektion des BrenF stoffes
in dem zentralen Teil 31 der schmelzflüssigen Zone entlang der Umhüllung 30 eine
gleichmässigere Temperaturverteilung besteht, die zu einer gleichmässigeren und
wirksameren Wärmeabfuhr durch das Natriumkühlmittel führt.
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Das Verfahren nach der Erfindung besteht demzufolge darin, dass mit
spaltbarem Brennstoff gefüllte Stäbe 10 einer Neutronenflussbestrahlung ausgesetzt
werden, der Neutronenfluss mittels Neutronenreflektoren 22 und Trimmbleohen 36 zugleich
mit der Steuerung des Strömungsdurchsatzes des Natriumkühlmittels entlang der Aussenseite
der Umhüllung 30 des Brennstoff stabes 10 geregelt wird, um ein an einer Stelle
nahe jedem Ende des Brennstoff stabes 10 beginnendes und zu dem anderen Ende des
Stabes 10 verlaufendes, zu jedem Ende hin abnehmendes Temperaturgefälle zu sohaffen,
um den spaltbaren Brennstoff in dem zentralen Teil 31 zu schmelzen und an der Innenfläche
der Umhüllung 30 eine Schicht 32 aus festem Brennstoff und nahe dem oberen Ende
des Stabes einen festen Brennstoffteil 33 sowie nahe dem unteren Ende des Stabes
10 einen festen Brennstoffteil 34 zu erhalten, so dass sich die gasförmigen und
flüchtigen neutronenabsorbierenden Spaltprodukte in dem durch die Innenfläche des
festen Brennstotiteiles 33 abgegrenzten Bereich 38 ansammeln und ablagern, während
die festen neutronenabsorbierenden Spaltprodukte sich an dem festen Brennstoffteil
34 nahe dem unteren Ende des Stabes 10 ansammeln, so dass durch Entfernen der neutronenabsorbierenden
Spaltprodukte aus dem zentralen Teil 31 der Reaktionszone (Spaltzone) ein hoher
Brennstoff abbrand erreicht wird.
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Patentansrüohe 1