DE2141008C3 - Kernreaktor mit schnellen Neutronen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Kernenergietechnik, und zwar auf einen Kernreaktor mit schnellen Neutronen, der für Atomkraftwerke, insbesondere für Kernkraftwerke mit großer Leistung benutzt werden kann.

Verschiedene Bauarten von Kernreaktoren mit schnellen Neutronen sind weitgehend bekannt. Die zur Energieerzeugung bestimmten Kernreaktoren mit schnellen Neutronen weisen gewöhnlich einen äußeren Brutmantel auf, in dem sich der Brutstoff, z. B. natürliches oder angereichertes (verarmtes) Uran und/oder Thorium, befindet.

Der Brutmantel ist zur nutzbaren Absorption von Neutronen bestimmt, die aus der Spaltzone (auch aktive Zone oder Reaktorkern oder -core genannt) abwandern. Bei der Absorption im Uran oder Thorium bewirken diese Neutronen eine zusätzliche Energiefreisetzung im Reaktor und die Erzeugung von Spaltstoffen, wie Plutonium Pu^23B bzw. Uran U²³³.

Der äußere Brutmantel umfaßt die Spaltzone des Reaktors, die einen Spaltstoff enthält und in der Regel zylinderförmig ausgeführt wird. Der äußere Brutmantel wird in einen über und unter der Spaltzone liegenden Stirnmantel und einen Seitenmantel eingeteilt. Bei Kraftwerksreaktoren besteht die Spaltzone gewöhnlich aus mehreren, z. B. zwei oder drei, konzentrischen Spaltzonenteilen, die sich voneinander durch die Spaltstoffkonzentration unterscheiden. Beispielsweise wird der Pu²³*-Gehalt im Kernbrennstoff eines Plutoniumreaktors, z. B. in einem Uran- und Plutoniumgemisch, zur Peripherie der Spaltzone hin größer. Ähnlicherweise vergrößert sich zur Peripherie hin der U²³⁸-Gehalt im Kernbrennstoff (z. B. in einem U²³⁶- und U²³⁸-Gemisch) eines Uranreaktors.

Der Hauptzweck der Bildung derartiger Zonenteile mit unterschiedlicher Konzentration des Spaltstoffisotops in der Spaltzone ist die Ausnutzung des Effekts, der als Ausgleich durch Anreicherung bezeichnet wird und gewährleistet einen Ausgleich des Profils vom Wärmeentwicklungsfeld entlang des Reaktorradius, eine Reduzierung des radialen Ungleichmäßigkeitskoeffizienien (Kr) der Wärmeabgabe, eine Erhöhung der Energieabgabe (MW/kg) sowie eine Beschleunigung der Spaltstoff regenerierung (Ansammlung neuer Spaltstoffe in Prozent/Jahr).

Die beschriebenen schnellen Reaktoren mit einem Ausgleich im Profil des Wärmeentwicklungsfelds durch Bildung von Spaltzonenteilen mit unterschiedlicher Spaltstoffkonzentration (Ausgleich durch An-

reicherung) weisen aber einen wesentlichen Mangel auf, und zwar eine bedeutende Verformung des Wärmeentwicklungsfeids, die eigentlich zum Verschwinden des Ausgleicheffekts bei diesem Feld während eines längeren Reaktorbetriebs ohne Überlastung (V₂ Jahr

und mehr) führt. Dies ist durch unterschiedliche Brutfaktoren in den Zonenteilen mit verschiedener Anreicherung bedingt. Der kleinere Brutfaktor im äußeren Teil der Spaltzone führt zum relativen Sinken der Wärmeentwicklung an der Peripherie und zur relativen

»o Erhöhung der Wärmeentwicklung im Zentrum der Reaktorspaltzone. Da für die Reaktorkonstruktion der Zeitraum mit größter Belastung während einer Reaktorreise bestimmend ist, muß man bei der Reaktorprcjektierung die Ungleichmäßigkeit der Wärmeent-

»5 wicklung, den Abfall der Energieabgabe des Brennstoffs während des Brennstoffzyklus und eine verlangsamte Aufspeicherung des neuen Brennstoffs berücksichtigen. Dies führt aber zur Kostenerhühung für die von dem Atomkraftwerk erzeugte Energie.

3c Die Entwicklung von Atomkraftwerken mit schnellen Reaktoren wird in der nächsten Zukunft durch einen Anstieg der Einheitsleistung auf über 1000 bis 2000 MW gekennzeichnet sein. Kernreaktoren mit schnellen Neutronen und einer so hohen Leistung (2500 bis 4000 MW) we.sen nun mehrere Besonderheiten auf: Anstieg des Reaktivitäts-Brutfaktors, der eine prinzipielle Möglichkeit eines längeren ununterbrochenen Reaktorbetriebs (bis zu einem Jahr und darüber) ergibt, größere Ungleichmäßigkeit der Wärmaentwicklung in der Spaltzone des Reaktors. Im betreffenden Falle ist die Instabilität des Wärmeentwirklungsfelds ein Hindernis für die Benutzung der sich im Prinzip ergebenden Möglichkeit, die Dauer des ununterbrochenen Reaktorbetriebs zu verlängern, und führt zusätzlich zum schlechteren Profil des Wärmeentwicklungsfelds in der Spaltzone des Reaktors.

Es ist schließlich ein Kernreaktor für schnelle Neutronen mit einem Brutmantel, der eine aus einem inneren und einem äußeren Zonenteil gebildete Spaltzone umgibt, wobei die Zonenteile konzentrisch angeordnet sind, bekannt geworden (vergleiche deutsche Offenlegungsschrift 15 89001), dessen Spaltzone ein Volumen von 3000 1 hat und im inneren Spaltzonenteil, der 800 1 groß ist, U²³⁶, dispergiert in Th²³², enthält, während der äußere Spaltzonenteil durch Pu, dispergiert in U²³⁸, gebildet ist. Auf diese Weise soll ein negativer bzw. verhältnismäßig niedriger positiver Natriumschwundkoeffizient der Reaktivität des Kernreaktors erzielt werden, d. h. die Reaktivität soll bei Verlust an Natrium als Kühlmittel ab- bzw. nur gering zunehmen.

Auch dieser bekannte Kernreaktor zeigt wegen des Vorhandenseins von Th (in metallischer oder beliebiger sonstiger Form) im inneren Spaltzonenteil eine ungleichmäßige Wärmeentwicklung in der Spaltzone, d. h. ein instabiles Wärmeentwicklungsfeld in ihr.

Die Erfindung hat als Aufgabe, die Ungleichmäßigkeit der Wärmeentwcklung in der Spaltzone des

Reaktors zu reduzieren und das Wärmeentwicklungsfeld in der Reaktorspaltzone zu stabilisieren, d. h. den kleinsten Wert des Ungleichmäßigkeitsfaktors der Wärmeentwicklung während des kontinuierlichen Reaktorbetriebs aufrechtzuerhalten und dadurch die Energieabgabe sowie das Tempo der Brennstoffrückgewinnung zu erhöhen und die Energiekosten in Atomkraftwerken zu senken, indem die Reaktorspaltzone so ausgeführt wird, daß der Reaktor bei einem optimalen anfänglichen Profil des Wärmeentwicklungsfelds gleiche Brutfaktoren in den Spaltzonenteile/i aufweist, die ein stabiles Wärmeentwicklungsfeld während des Reaktorbetriebs gewährleisten.

Diese Aufgabe wird bei einem Kernreaktor für schnelle Neutronen mit einem Brutmantel, der eine aus einem inneren und einen äußeren Zonenteil gebildete Spaltzone umgibt, wobei die Zonenteile konzentrisch angeordnet sind, dadurch gelöst, daß als Kernbrennstoff im äußeren Spaltzonenteil Pu²³⁹ und im inneren Spaltzonenteil U²³⁵ vorgesehen ist, wobei das Volumen des inneren Spaltzonenteils ungefähr 20 bis 90/0 vom Gesamtvolumen der Spaltzone beträgt.

Der erfindungsgemäße Reaktor mit schnellen Neutronen weist alle Vorteile eines durch Anreicherung ausgeglichenen Reaktors auf (z. B. identischer Aufbau der Brennstoffelemente in den Spaltzonenteilen) und ist außerdem durch vorteilhafte Eigenschaften, nämlich zeitlich stabilen Betrieb und einen kleineren Ungleichmäßigkeitsfaktor der Wärmeentwicklung, ausgezeichnet.

Die Mengen von Pu²³⁹ und U²³⁶ in den Spaltzonenteilen sollten in einem Verhältnis von 0,5 bis 5 vorliegen. Plutonium kann als Oxyd (PuO₂+UO₂) und Uran als Metall benutzt werden.

Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen und an Hand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäß aufgebauten Kernreaktors mit schnellen Neutronen im Längsschnitt;

Fig. 2 ein anderes Ausführungsbeispiel des Kernreaktors mit schnellen Neutronen;

Fig. 3 einen Schnitt nach III-Ill von Fig. 1 und 2;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Änderung des Ungleichmäßigkeitsfaktors der Wärmeentwicklung in der Spaltzone des erfindungsgemäßen Kernreaktors (Vollinie) und eines bekannten durch Anreicherung ausgeglichenen Plutoniumreaktors (Strichlinie).

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besitzt der Kernreaktor eine aus zwei Zonenteilen 1 und 2 bestehende Spaltzone A, Der äußere Zonenteil 1 besteht aus Paketen von Brennstoffelementen, die einen Plutoniumbrennstoff, und zwar Uran²³⁸ und Plutonium²³⁹, enthalten. Den inneren Zonenteil 2 bilden Pakete mit Brennstoffelementen, die einen angereicherten U ran-Brennstoff (Uran²³⁵ und Uran²³⁸) enthalten. Der Rauminhalt des inneren Zonenteils beträgt ungefähr 20 bis 90% vom Gesamtvolumen der Spaltzone. Das Verhältnis von Pu²³⁹ zu U^23S kann man in der Spaltzone des Reaktors in den Grenzen von 1:2 bis 5:1 variieren. Beim Überschreiten der erwähnten Grenzen kann die Gleichheit der Brutfaktoren in den Zonenteilen mit verschiedenen Brennstoffarten nicht mehr gesichert werden, und die Reaktorkennwerte werden dabei bedeutend schlechter.

Die Spaltzone ist von allen Seiten von einem äußeren Brutmantel B umgeben. Ein Seitenteil 3 und Stirnteile 4 und 5 des Brutmantels B enthalten abgereLhertes (verarmtes) oder natürliches Uran.

Es ist auch eine Abänderung der Spaltzone A möglich. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, sind die Brennstoff pakete in ihrer Höhe in Teile eingeteilt: Der Brutstoff des unteren und des oberen Stirnteils 4 und 5 besteht aus abgereichertem Uran, den inneren Zonenteil b bildet ein Brennstoffpaketteil mit angereichertem Uran, der von dem unteren und dem oberen Stirnteil 4 und 5

xo des Pakets durch Zwischenabschnitte 6 und 7 des Pakets mit dem Plutoniumbrennstoff getrennt ist.

In der Draufsicht (Fig. 3) stellen die Spaltzonenteile konzentrische Ringe dar, die von sechskantigen (oder quadratischen) Brennstoffpaketen gebildet werden.

Uran und Plutonium können als Metall, Oxyd, Karbid, Natrid usw. verwendet werden. Von Interesse ist auch eine kombinierte Benutzung dieser Stoffe. So kann z. B. der Plutoniumbrennstoff als Gemisch von Oxyden und der Uranbrennstoff als Metallegierung

ao verwendet werden.

Die Vorteile der Erfindung sind bei der Betrachtung der Fig. 4 gut erkennbar, in der die Änderung des radialen Ungleichmäßigkeitsfaktors der Wärmeentwicklung während eines ununterbrochenen Reaktor-

»5 betriebs (in Jahren) dargestellt ist. Die Vollinie zeigt den Verlauf des Wärmeentwicklungsfelds in einem Reaktor mit gemeinsamer Benutzung von Uran²³⁵ und Plutonium²³⁹, die Strichlinie gibt das Verhalten des Wärmeentwicklungsfelds in einem durch Anreicherung ausgeglichenen Plutoniumbrüter an.

Während des ununterbrochenen Betriebs des Kernreaktors mit Spaltzonenteilen, die Uran²³⁵ und Plutonium²³⁹ enthalten, ist die Stabilität des Profils vom Wärmeentwicklungsfeld durch die Gleichheit der Koeffizienten der Wärmeentwicklungs-Regeneration in den Teilen der Spaltzone gesichert. Der erhöhte V-Wert (also die Anzahl der neu entstandenen Neutronen pro absorbiertes Neutron) des Brennstoffs im äußeren Zonenteil (Pu²³⁹ und U²³⁸) im Vergleich mit dem Brennstoff des inneren Zonenteüs (U²³⁹ und U²³⁸) führt zu relativ stärkerem Übergang der Neutronen aus dem äußeren Zonenteil 1 in den inneren Zonenteil 2 und sichert praktisch den absoluten Ausgleich des Wärmeentwicklungsfelds im inneren Zonenteil. Infolgedtssen bleibt die Verteilung der Wärmeentwicklung während des Reaktorbetriebs nicht nur konstant, sondern ist auch optimaler als bei verschiedenen Ausgleichsverfahren (Kr = 1,12).

Die erwähnten Vorteile schaffen eine bedeutende technische Reserve be' der Projektierung von schnellen energetischen Reaktoren nach der Erfindung: Im Vergleich mit einem durch Anreicherung ausgeglichenen Reaktor beträgt die Temperaturreserve an der Hülle * 50 bis 6O⁰C und in der Mitte eines Brennstoffoxydstabs 200 bis 400⁰C, Maschenabstand (h) des durch Brennstoffstäbe gebildeten Gitters kann bis zum minimal zulässigen Wert von 1,15 reduziert werden; die Höhe der Spaltzone kann bis zum optimalen physikalischen Wert vergrößert werden mit gleichzeitiger Erhöhung der durchschnittlichen Erwärmung des Kühlmittels (Wärmeträgers) bis zum optimalen Wert von etwa 250 bis 28O⁰C bei maximal zulässiger Geschwindigkeit des Kühlmittels (Natriums). Die Ausnutzung der erwähnten Reserven ergibt bedeutende technische und wirtschaftliche Vorteile von Kernkraftwerken mit schnellen Reaktoren nach der Erfindung im Vergleich mit den durch Anreicherung ausgeglichenen schnellen Reaktoren (vgl. Tabelle).

Tabelle

	Reaktor	Plutoniumspeicherungsrate	1,0	Reaktortyp	Uran
Kennwerte	gem.	[kg/MW (el) Jahr]	Pluto-	kon
	Erfindung	nium-	verter
	1000	brütcr	1000
Leistung [MW (el)]	750	1000	600
Energieabgabe [kW/1]		550
[kg Brennstoff im	2,3		3,0
Zyklus/MW (el)]	2,5
		0,75
1,0

Den in der Tabelle angeführten Ergebnissen ist noch hinzuzufügen, daß in der anfänglichen Entwicklungsperiode der Kernenergietechnik die Energieabgabe der schnellen Reaktoren der entscheidende Kennwert in bezug auf den Spaltstoffverbrauch und somit auf das Volumen der Gewinnung von natürlichem Uran ist. Der Bau von schnellen Reaktoren gemäß der Erfindung ermöglicht es, den Brennstoffverbrauch im Reaktor um 15 bis 20% zu verringern.

Es ist darauf hinzuweisen, daß der erfindungsgemäße Reaktor mit gemeinsamer Benutzung von Uran²³⁵ und Plutonium²³⁹ und mit dem in der Spaltzone erfindungsgemäß angeordneten Kernbrennstoff (Uranbrennstoff im Zentrum und Pltuoniumbrennstoff an der Peripherie der Spaltzone) durch einen negativeren Wert des Natrium-Reaktivitätsfaktors im Vergleich mit dem Pluloniumbrüter ausgezeichnet ist. Das ist vom Standpunkt der Betriebssicherheit des Reaktors von Bedeutung.

Die Benutzung der Erfindung beschränkt sich nicht auf die Wahl eines Projekts für den Bau eines schnellen Reaktors. Sie kann für Reaktoren mit beliebigem Aufbau des Reaktorbehälters benutzt werden: für eine integrierte oder eine Kreislauf-Bauart mit einer beliebigen Form der Brennstofflemente (Stäbe, Platten usw.) und der Brennstoffhülle (quadratische, sechskantige, zylindrische Form usw.). Die Erfindung kann auch für jedes Kühlmittel im schnellen Reaktor (z. B.

^ϊ0 flüssiges Metall oder Gas) oder jede Brennstoffarl (Oxyd-, Karbid- oder Metallbrennstoff) verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kernreaktor für schnelle Neutronen mit einem Brutmantel, der eine aus einem inneren und einem äußeren Zonenteil gebildete Spaltzone umgibt, wobei die Zonenteile konzentrisch angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß als Kernbrennstoff im äußeren Spaltzonenteil (1) Pu²³' und im inneren Spaltzonen teil (2) U²³⁵ vorgesehen ist, wobei das Volumen des inneren Spaltzonenteils (2) ungefähr 20 bis 90% vom Gesamtvolumen der Spaltzone beträgt.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Mengen von Pu²³⁹ und U²³⁵ in den Spaltzonenteilen (1, 2) 0,5 bis 5 beträgt.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Plutonium als Oxyd (PuO₂-I-UO,) und das Uran als Metall vorgesehen ist.