DE2241873A1

DE2241873A1 - Verfahren zum betreiben eines hochtemperaturreaktors

Info

Publication number: DE2241873A1
Application number: DE2241873A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Maly; Rudolf Prof Dr Schulten; Eberhard Dr Teuchert
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1972-08-25
Filing date: 1972-08-25
Publication date: 1974-03-28
Also published as: GB1447542A; FR2199606A1; JPS49132493A; FR2199606B1

Description

Kernforschungsanlage Julien Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Verfahren zum Betreiben eines Hochtemperaturreaktors

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, bei dem aus mit den Austritt von Spaltgasen behindernden Beschichtungen umgebene Brenn- und/oder Brutstoffkernen und in einer Umhüllung aus Graphit gebildete, vorzugsweise Kugelform aufweisende, Brenn- und/oder Brutelemente von oben nach unten so durch den zugleich in gleicher Richtung von einem Wärmeübertragungsmittel, wie beispielsweise Helium, durchströmten Reaktorkern geschleust werden, daß die Brenn- und/oder Brutelemente bereits nach einmaligem Durchlaufen des Reaktors den gewünschten Endabbrand erreichen.

Durch dieses Verfahren soll insbesondere bei der Verwendung von Kernreaktoren in Verbindung mit Gasturbinen und bei nachgeschalteten energetischen Prozessen die Temperatur des aus dem Reaktor austretenden wärmeübertragende Mittel die bisher erreichbaren Temperaturen von etwa 750° C hinaus bis auf etwa 1 000° C gesteigert werden.

Nach den bisher vorliegenden Vorschlägen, einen Kernreaktor so zu betreiben, daß die Brenn- und/oder Brutelemente bereits nach einmaligem Durchlaufen des Reaktors den gewünschten Endabbrand erreicht haben, entsteht in Abhängigkeit von der Abnahme des Spaltstoffgehaltes der Brenn- und/oder Brutele-

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nente und des Aufoaus von neutronenabsorbierenden Isotopen in axialer Richtung des Reaktorkerns von oben nach unten ein ^eutronenflu£-Profil, das im unteren Bereich des Reaktorkerns gegenüber dem oberen Bereich sehr stark reduziert ist. Die Leistungserzeugung des in den Brenn- und/oder Bruteler.'iGntcn enthaltenen Brennstoffs ist also im oberen Teil des üeaktorkerns stark erhöht und im unteren Teil stark reduziert. Ein Vorzug dieser Betriebsweise eines Kochtemperaturrcaktorc besteht aarin, da£ es möglich ist, das den Reaktorkern durchströmende Kühlgas infolge des ausgewogenen Verhältnisses der Leistungsverringerung in Strömungsrichtung des Kühlgases sowie des in gleicher Richtung erfolgenden Temperaturzunahme bis dicht unterhalb der zulässigen Oberflächentemperatur der Brennelemente aufzuheizen. Mach den bisher bekannten Verfahren wird für diese Betriebsweise angereichertes U0„ als Spaltstoff verwendet.

Dabei v/ird nach diesen bekannten Vorschlägen zum Betreiben eines im Einweg beschickten Kugelhaufenreaktors ein Abbrand von etwa 65 000 HWd/t angestrebt und die Leistungsdichte im oberen Teil des Reaktorkerns gegenüber dem Mittelwert um einen Faktor, der etwa zwischen 3,5 und 4,5 liegt, überhöht. Im unteren Teil des Reaktorkerns ist sie um einen zwischen 0,15 und 0,05 liegenden Faktor vermindert. Wird der Abbrand durch erhöhte Anfangsanreicherung und durch Verlängerung der Einsatzzeit der Brennelemente im Reaktor vergrößert, so nimmt die Asymetrie des Leistungsprofils in Richtung aer Längsachse des Reaktorkerns noch zu. Bei einer Konzeption, die den technologisch zulässigen Abbrand von 120 000 MWd/t in den beschichteten Partikeln anstrebt, müßte sogar mit einer maximalen Leistungserhöhung um einen Faktor,

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der zwischen 5 und 7 liegt, gerechnet werden.

Will man einen Kugelhaufenreaktor auf möglichst wirtschaftliche Weise betreiben, so ist außerdem zu beachten, daß die Temperaturdifferenz zwischen der Oberfläche der kugelförmigen Brennelemente und dem Zentrum der'Elemente proportional zur Leistungserhöhung mit dem daraus sich ergebenden Temperaturgradienten einige technologisch beachtenswerte Auswirkungen hat, die dazu führen, daß die zulässige Leistungserzeugung je Brennstoff enthaltender Kugel begrenzt werden muß. Diese Leistungserzeugung liegt für eine Brennstoffkugel mit einem Durchmesser von 6 cm derzeit bei 5,7 KW/Kugel. Das entspricht einer maximalen Leistungsdichte von etwa 31 MW/nr in der Kugeisehüttung. Da die mittlere Leistungsdichte um den reziproken Wert der Überhöhungsfaktoren unterhalb der jeweiligen Leistungsüberhöhung liegt, ist sie infolge der bei der bisher vorgeschlagenen Betriebsweise des im Einweg beschickten Kugelhaufenreaktors sich ergebenden starken Asymetrie der Leistungserzeugung erheblich eingeschränkt.

2u beachten sind außerdem zwei weitere Gründe, durch die die Leistung eines Kugelhaufenreaktors bei der bisherigen Betriebsweise beschränkt ist: Die Oberflächentemperatur der. Brenn- und/oder Brutelemente ist auf 1 050° C und die maximale Zentraltemperatur auf 1 250° C begrenzt. Durch die notwendige Beschränkung der Oberflächentemperatur wird die Temperatur des aus dem Reaktorkern austretenden Kühl-' mittels beschränkt. Dagegen ist die maximale Zentraltemperatur bei der bisher bekannten Betriebsweise bei weitem noch nicht erreicht worden.

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Bei der bisher bekannten Betriebsweise für im Einweg beschickte Kugelhaufenreaktoren, bei denen die Leistungsdichte im unteren heißen Teil des Reaktorkerns erheblich vermindert war, betrug die Temperaturerhöhung im Zentrum der kugelförmigen Elemente gegenüber der Oberfläche nur etwa 20° bis 40° C. Selbst in den heißesten Kugeln ist jedoch eine Differenz bis zu 200° C zulässig. Die bisher bekannte Betriebsweise führte lediglich dazu, daß in einem kleinen Volumenbereich im oberen Teil des Reaktorkerns die maximale Leistung der Brennstoff enthaltenden Elemente und lediglich in der Nähe des Austritts des Kühlmittels aus dem Reaktorkern die maximale Oberflächentemperatur der Elemente erreicht wurde.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, nach dem ein im Einweg beschickter Kernreaktor so betrieben wird, daß die Belastung der Brenn- und/oder Brutelemente in den unter Berücksichtigung der durch die Art der für die Elemente und für den Reaktorkern verwendeten Materialien gesetzten Grenzen erhöht wird. Dadurch soll entweder die Wirtschaftlichkeit des Kernreaktors erheblich erhöht oder wenn auf die maximale Ausnutzung der technologischen Gegebenheiten für die Brenn- und/oder Brutelemente verzichtet wird, die Reaktorsicherheit so erhöht werden, daß ein angemessener Abstand zu dem für die Brenn- und/oder Brutelemente geltenden technologischen Begrenzungen eingehalten wird. Das ist insbesondere für die Betriebsweise der ersten im Einweg beschickten Kugelhaufenreaktoren von Bedeutung.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß es darauf ankommt, den Kernreaktor so zu be-

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treiben, daß der Volumenbereich im Reaktorkern, in dem die Leistung der Brennstoff enthaltenden Elemente möglichst groß ist und daß zugleich im unteren Teil des Reaktorkerns die obere Grenze der Zentraltemperatur der Elemente erreicht oder so weit wie möglich angenähert wird. Das hat zur Voraussetzung, daß das Leistungsprofil in Richtung der Achse des Reaktorkerns möglichst gleichmäßig, also gegenüber dem Leistungsprofil der bisher bekannten Betriebsweise für den oberen Teil des Reaktorkerns gegebenfalls abgeflacht und für den unteren Teil angehoben werden muß. Schließlich ist für die Erfindung die Erkenntnis von Bedeutung, daß die überhöhung der Leistungsdichte im oberen Teil des Reaktorkerns darauf beruht, daß der Spaltstoffgehalt der frisch in den Reaktor eingesetzten Brenn- und/oder Brutelemente überhöht ist und daß auch in diesem Teil des Reaktorkerns der Neutronenfluß überhöht ist, so daß beide Ursachen für die überhöhung der Leistungsdichte sich einander multiplikativ überlagern.

Von dieser Erkenntnis ausgehend wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, daß der Reaktor mit Elementen beschickt wird, deren Spaltstoffzugabe, deren Auslögungskonzeption und deren Durchlaufgeschwindigkeit derart bemessen sind, daß die Leistungsdichte längs der Achse des Reaktorkerns in Richtung der Kühlmittelströmung nur wenig abfällt und/oder den Erfordernissen einer optimalen Waremeübertragung angepaßt ist. Dabei ist es vorteilhaft, den Reaktor so zu betreiben, daß der Abbrand etwa 45 ooo MWd/t beträgt. Dazu werden nach dem Verfahren gemäß der Erfindung im oberen Bereich des Reaktorkerns Elemente mit gegenüber dem Mittelwert weniger überhöhten Spaltstoffgehalt eingesetzt als bei der bisher bekannten Betriebsweise, und die Durch—

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laufgeschwindigkeit der Elemente wird erhöht. Das Verfahren gemäß der Erfindung hat die Auswirkung, daß die Spaltproduktvergiftung im unteren Teil des Reaktorkerns gegenüber der bisher bekannten Verfahrensweise vermindert wird. Dies führt zu einer Abflachung des thermischen Neutronenflusses. Eine weitere Maßnahme, den Reaktor in der Weise zu betreiben, daß das Leistungsprofil entlang der Achse des Reaktorkerns möglichst abgeflacht ist, besteht darin, daß der Reaktor mit Brenn- und/oder Brutstoff enthaltenden Elementen beschickt wird, bei denen der Brutstoff in möglichst homogener Verteilung im Graphit vorliegt. Eine geeignete Maßnahme, dies zu verwirklichen, besteht darin, daß der Reaktor mit Brenn- und/oder Brutelementen mit einer möglichst ausgedehnten Innenzone, in der die beschichteten Partikel in Graphit eingebettet vorliegen, beschickt wird. Wie sich gezeigt hat, ergibt sich, daß durch die Verwendung von Brenn- und/oder Brutelementen, die bei einem Außendurchmesser von 6 cm einen Innendurchmesser von 5 cm aufweisen, eine erhebliche Verminderung der Leistungsüberhöhung im oberen Teil des Reaktorkerns eintritt. Eine weitere Maßnahme, die daneben oder statt dessen anwendbar ist, besteht darin, daß der Reaktor mit Brenn- und/oder Brutelementen, bei denen die beschichteten Brenn- und/oder Brutelemente einen Durchmesser aufweisen, dessen unteres Maß lediglich durch die Herstellungsbedingungen begrenzt ist, beschickt wird. So führte, wie ermittelt werden konnte, die Verwendung von Partikelkernen, deren Durchmesser höchstens 0,6 mm betrug und wenn zugleich bei einem Außendurchmesser der kugelförmigen Brennelemente von 6 cm der Innenzonendurchmesser von 4 cm auf 5 cm erhöht

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wurde, zu einer Verminderung der Leistungsüberhöhung im oberen Teil des Reaktorkerns um 23 %. Durch diese Maßnahme wird infolge der dadurch erzielten hohen Konversionsrate die Spaltstoffergänzung in dem Brennstoff, der bereits längere Zeit irn Reaktorkern befindlichen Brennelemente begünstigt. Dadurch wird das Spaltstoffprofil längs der; Achse des Reaktorkerns abgeflacht und gleichfalls das Neutronenflußprofil. Durch die dadurch bewirkte Erhöhung der Konversion wird die Leistungsdifferenz zwischen den neu eingesetzten Brennstoff enthaltenden Elementen und den bereits ira Reaktorkern befindlichen Elementen verringert.

Als sehr zweckmäßig hat sich auch erwiesen,, daß der Reaktorkern mit Brenn- und/oder Brutelementen mit einem niedrigen, lediglich durch die technologischen Anforderungen im Reaktor begrenzten, Verhältnis von Graphit zu dem Brenn- und/oder Brutstoff, beschickt wird, wobei eine weitere zweckmäßige Maßnahme darin besteht, daß der Reaktor mit Brenn- und/oder Brutelementen mit Uran 233 als Spaltstoff, das heißt mit einem Spaltstoff mit möglichst hoher Spaltneutronenausbeute pro Absorption beschickt, wird. Bei der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist es außerdem zweckdienlich, dafür Sorge zu tragen, daß parasitäre Absorptionen und Neutronen-Leckverluste gering gehalten werden.

Neben den vorstehend beschriebenen Verfahrensmaßnahmen kann es vorteilhaft sein, daß der Reaktor mit Elementen, in denen Thorium als Brutstoff vorliegt, beschickt wird. Bei dieser Maßnahme wird davon ausgegangen, daß bei dem Brennstoffzyklus mit angereichertem Uran durch Neutroneneinfang aus einem Teil des erbrütetem Plutonium 239 das Isotop Plutonium240 entsteht. Plutonium 240 weist eine sehr höhe Neutronen-

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absorption auf. Das führt zu einer nachteiligen Reduktion der Neutronenflußverteilung im unteren Teil des Reaktorkerns. Bei einer Beschickung mit Thorium enthaltenden Elementen wird jedoch infolge der hohen Spaltneutronenausbeute des aus dem Thorium erbrüteten Uran 233 statt dessen eine Erhöhung des Neutronenflusses im unteren Teil des Reaktorkerns begünstigt. Wie ermittelt werden konnte, liegt das Maximum der Leistungsverteilung längs der Achse des Reaktorkerns bei der Beschickung mit Thorium als Brutstoff enthaltenden Elementen um etwa 20 % unterhalb der Leistungsverteilung, die sich bei einer Beschickung mit Brennelementen des Uranzyklus ergibt.

Werden bei der Beschickung mit Thorium als Brutstoff enthaltenden Elementen zugleich die Auslegung der Elemente und das Verhältnis von Graphit zu Schwermetall variiert, so ist dadurch ein Abbrand von 70 000 MWd/t erreichbar. Das Leistungsmaximum ist dabei um weniger als das Zweifache gegenüber dem Mittelwert überhöht. Bei einer maximalen Leistungsüberhöhung von 1,7 ist ein Abbrand von 69 000 MWd/t erzielbar.

Ein besonders günstiges Leistungsprofil ergibt sich dadurch, daß der Reaktor mit Brenn- und/oder Brutelementen, in denen die Anfangsanreicherung wenigstens zu einem Teil aus einem Gemisch von Plutoniumisotopen besteht, beschickt wird. So ist es beispielsweise vorteilhaft, Brenn- und/oder Brutelemente

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mit einem aus *^Pu: Pu: Pu: Pu bestehenden Plutoniumisotopengemisch mit den Anteilen 50:25:15:10, bei dem die Anfangsanreicherung an spaltbaren Plutoniumisotopen 23 % beträgt, zu verwenden. Die hohe Neutronenabsorption von Plutonium reduziert den Neutronenfluß im oberen Teil des Reaktorkerns in einem solchen Maße, daß das Neutronen- und Leistungsprofil in einer dem jeweiligen Bedarfs-

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falle entsprechenden Weise angepasst werden kann. Ein großer Vorzug dieser Maßnahme besteht in ihrer hohen Flexibilität,

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die es sogar gestattet, das Maximum des Leistungsprofils in den mittleren oder sogar in den unteren Bereich des Reaktorkerns verschoben werden kann. Hinzu kommt, daß die Konzentration des Plutoniums 240 infolge des Neutroneneinfanges während des Durchlaufs der Brenn- und/oder Brutelemente durch den Reaktorkern erheblich abnimmt, wobei als Folge des Einfangs das Spaltisotop Plutonium 241 gebildet wird. Bei dieser Maßnahme des Verfahrens gemäß der Erfindung wird somit die Funktion des Plutoniums 240 als "abbrennbares Gift" zu wirken als auch die Funktion des Brutstoffs zu übernehmen, ausgenutzt. Die Beschickung mit Brenn- und/oder Brutelementen, die Plutonium als Zugabe enthalten, hat somit den Vorzug, daß der Abbrand bis an die technologisch zulässige Grenze ausdehnbar ist, wobei gleichwohl die maximale Leistungsüberhöhung mindestens bis auf einen Faktor 2,5, in besonders günstigen Fällen bis auf einen Faktor unterhalb 1,8 reduziert werden kann.

Es ist selbstverständlich auch möglich, den Reaktor bei der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung durch Zugabe abbrennbarer Gifte zu der Beschickungscharge so zu betreiben, daß der Neutronenfluß und die Spaltrate in Teilbereichen des Reaktorkerns vermindert werden. Das kann in der Weise erfolgen, daß der Beschickungscharge an sich bekannte abbrennbare Gifte mit der Beschickung zugegeben werden. Dadurch wird die Leistungsdichte im oberen Teil des Reaktorkerns herabgesetzt. Die Leistungserzeugung wird in die tieferen Bereiche des Reaktorkerns verlagert, so daß das Leistungsprofil erheblich abgeflacht wird, da sich die Wirkung abbrennbarer Gifte zum mittleren Teil des Reaktorkerns hin

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allmählich abschwächt. Der Einfluß auf die Neutronenökonomie des Reaktors ist gering, da der durch die Gifte im oberen Bereich des Reaktorkerns bisher aufgetretene Neutronenausfluß in dem Reflektor erheblich vermindert wird. Werden die abbrennbaren Gifte der Beschickung zur Beeinflussung der Leistungserzeugung innerhalb des Reaktorkerns in über den Radius des Reaktorkerns unterschiedlicher Verteilung zugegeben, so wird dadurch die Leistungserzeugung in verschiedenen radialen Bereichen in tiefere Bereiche des Reaktorkerns verlegt. Dies hat den großen Vorzug, daß die Kühlmittelströmung, die jeweils eine radiale Komponente zum kälteren Teil des Reaktorkerns hin besitzt, in gewünschter Weise beeinflußbar ist.

Schließlich ist das Leistungsprofil auch dadurch beeinflußbar, daß der Reaktor mit in Abhängigkeit von den radialen Zonen unterschiedlich ausgelegten Brenn- und/oder Bruteiementtypen beschickt wird. Dadurch wird erreicht, daß das Leistungsprofil in radialer Richtung ausgeglichen und infolgedessen das Maximum der Leistungsdichte reduziert wird. Diese Maßnahme ist besonders wirkungsvoll als Ergänzung zu den verschiedenen Verfahrensschritten. Um den Kernreaktor unter den gegebenen Bedingungen so wirtschaftlich wie möglich zu betreiben, ist es ferner zweckmäßig, daß die Kühlgasströmung der Leistungsverteilung im Reaktorkern angepaßt wird. Zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfii.dung unter Berücksichtigung der wahlweise miteinander zu kombinierenden oder auch für sich allein anwendbaren Verfahrensschritte hat sich ein Kernreaktor erwiesen, bei dem bei unverändertem Abbrand die Höhe des Reaktorkerns kleiner als 5 m, vorzugsweise kleiner als 4 m ist. Dabei erweist sich, daß das Leistungsprofil besonders flach ist und die über-

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höhung der Leistungsdichte um 45 % reduziert wird. Da das Kühlgasdruckgefälle dabei erheblich niedriger ist als bei einem Kernreaktor der bisher bekannten Art, wird somit nicht nur die Leistungsdichte erhöht sondern zugleich auch eine sehr wirtschaftliche Wärmeübertragung erzielt.

Eine weitere sehr vorteilhafte Maßnahme besteht darin, daß im oberen Teil, im unteren Teil und/oder in dem die radiale Begrenzung des Reaktorkerns bildenden Teil des den Reaktorkern in an sich bekannter Weise umgebenen Reflektors neutronenabsorbierende Materialien vorgesehen sind. Durch die Anwendung der verschiedenen Maßnahmen zur Beeinflussung der Leistungsdichte bei einem im Einweg beschickten Kugelhaufenreaktor in wahlweiser Kombination oder für sich allein ergibt sich, daß eine den jeweils vorliegenden Gegebenheiten sehr genau anpaßbare räumliche Leistungsverteilung ermöglicht wird.

In der Zeichnung ist die Leistungsverteilung längs der Reaktorachse eines Kugelhaufenreaktors unter verschiedenen Gegebenheiten jeweils normiert auf den Mittelwert unter unterschiedlichen Voraussetzungen dargestellt.

Wie aus Kurve I erkennbar ist, ist bei einer Auslegung, bei der ein Abbrand von etwa 65 000 MWd/t angestrebt wird, die Leistungsdichte im oberen Teil des Reaktorkerns maximal um einen Faktor 3,5 bis 4,5 gegenüber dem Mittelwert überhöht. Dagegen ist sie im unteren Teil des Reaktorkerns um einen Faktor 0,15 bis 0,05 vermindert. Dabei nimmt die Leistungsüberhöhung , wie sich gezeigt hat, mit einer Erhöhung des Abbrandes durch Erhöhung der Anfangsanreicherung und der Einsatzzeit der Elemente und der aus der Zeichnung erkennbaren Asymmetrie des axialen Leistungsprofils noch wesentlich

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zu. Die Kurve II gibt die Leistungsverteilung bei einer Verminderung des Abbrandes von 65 OOO auf 45 000 MWd/t wieder. Entsprechend ist die Durchlaufgeschwindigkeit erhöht. Durch diese Maßnahme wird die Leistungsüberhöhung im oberen Teil des Reaktorkerns nachweisbar um etwa 19 % vermindert, wobei 12 % auf die verminderte überhöhung des Spaltstoffgehaltes ufldl7 % auf die Abflachung des thermischen Flusses zurückzuführen sind.

Wurde der Durchmesser der beschichteten Brenn- und/oder Brutteilchen von 0,8 auf 0,6 mm vermindert und der Innenzonendurchmesser bei einem Außendurchmesser von 6 cm von, wie dies bisher üblich war, k cm auf 5 cm vergrößert, so wurde die Leistungsüberhöhung im oberen Teil des Reaktorkerns um etwa 23 % verringert. Das sich infolge dieser Maßnahme ergebende - in der Zeichnung nicht dargestellte - Leistungsprofil verläuft etwas flacher als die in der Zeichnung wiedergegebene Kurve II.

Bei der Verwendung von Thorium als Brutstoff wird aufgrund der hohen Spaltneutronenausbeute des daraus erbrüteten Uran 233 der Neutronenfluß im unteren Teil des Reaktorkerns begünstigt. Wie nachgewiesen werden konnte, wird dadurch das Maximum der axialen Leistungsverteilung um 20 % unter den Wert vermindert, der dem Wert der vergleichbaren Uranzyklus-Auslegung entspricht. Die Leistungsverteilung entspricht somit dem Verlauf der Kurve II.

Eine besonders wirkungsvolle Abflachung des Leistungsprofils ist in Kurve III dargestellt. Sie wird durch die Beschickung mit Elementen erzielt, die ein Plutonium-Isotopengemisch be-

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stehend aus ²³⁹Pu:²^⁰Pu:²^¹Pu:²^²Pu im Verhältnis 50:25:15:10 enthält. 23 % der Anfangsanreicherung bestanden dabei aus den spaltbaren Plutoniumisotopen.

In Kurve IV ist das axiale Leistungsprofil bei einer Beschikkung des Kugelhaufenreaktors dargestellt, bei der zwar der gleiche Brennelementtyp wie bei der Beschickung Verwendet wurde, deren Leistungsprofil in Kurve I wiedergegeben ist und bei der auch der gleiche Abbrand erzielt wurde, jedoch ist die Höhe des Reaktorkerns des zu beschickenden Reaktors auf die Hälfte vermindert worden. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ergibt sich dabei ein wesentlich abgeflachteres Leistungsprofil; die Leistungsüberhöhung wurde um 45 % reduziert.

Aus der zeichnerischen Darstellung geht somit mit aller Deutlichkeit hervor, daß es mit Hilfe der Maßnahmen gemäß der Erfindung möglich ist, eine dem jeweils vorliegenden Gegebenheiten angepasste sehr wirtschaftliche Betriebsweise zu erzielen.

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Claims

Kernforschungsanlage Jülich Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Patentansprüche

ΓΐΛ Verfahren zum Betreiben eines Hochtemperaturreaktors, bei dem aus mit den Austritt von Spaltgasen behindernden Beschichtungen umgebene Brenn- und/oder Brutstoffkernen und in einer Umhüllung aus Graphit gebildete, vorzugsweise Kugelform aufweisende, Brenn- und/oder Brutelemente von oben nach unten so durch den zugleich in gleicher Richtung von einem Wäremeübertragungsmittel durchströmten Reaktorkern geschleust werden, daß die Brenn- und/oder Brutelemente bereits nach einmaligem Durchlaufen des Reaktors den gewünschten Endabbrand erreicht haben, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor mit Elementen beschickt wird, deren Spaltstoffzugabe, deren Auslegungskonzeption und deren Durchlaufgeschwindigkeit derart bemessen sind, daß die Leistungsdichte längs der Achse des Reaktorkerns in Richtung der Kühlmittelströmung nur wenig abfällt und/oder den Erfordernissen einer optimalen Wäremübertragung angepaßt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor mit Brenn- und/oder Brutstoff enthaltenden Elementen beschickt wird, bei denen der Brutstoff in möglichst homogener Verteilung im Graphit vorliegt.

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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor mit Brenn- und/oder Brutelementen mit einer möglichst ausgedehnten Innenzone, in der die beschichteten Partikel in Graphit eingebettet vorliegen, beschickt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor mit Brenn- und/oder Brutelementen, bei denen die beschichteten Brenn- und/oder Brutelemente einen Durchmesser aufweisen, dessen unteres Maß lediglich durch die Herstellungsbedingungen begrenzt ist, beschickt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorkern mit Brenn- und/oder Brutelementen mit einem niedrigen, lediglich durch die technologischen Bedingungen im Reaktor begrenzten, Verhältnis von Graphit zu dem Brenn- und/oder Brutstoff beschickt wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß,der Reaktor mit Brenn- und/ oder Brutelementen mit Uran 233 als Spaltstoff beschickt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor mit Elementen, in denen Thorium als Brutstoff vorliegt, beschickt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor mit Brenn-

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und/oder Brutelementen, in denen die Anfangsanreicherung wenigstens zu einem Teil aus einem Gemisch von spaltbaren Plutoniumisotopen und Pu besteht, beschickt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschikkungscharge an sich bekannte abbrennbare Gifte zugegeben werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die abbrennbaren Gifte der Beschikkung zur Beeinflussung der Leistungserzeugung innerhalb des Reaktorkerns über den Radius des Reaktorkerns in unterschiedlicher Verteilung zugegeben werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor mit in Abhängigkeit von denradialen Zonen unterschiedlich ausgelegten Brenn- und Brutelementtypen beschickt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlgasströmung der Leistungsverteilung im Reaktorkern angepaßt wird.
13. Kernreaktor zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei unverändertem Abbrand die Höhe des Reaktorkerns kleiner als 5 m, vorzugsweise kleiner als 4 m ist.
14. Kernreaktor zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 13> dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Teil, im unteren Teil und/oder in dem

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die radiale Begrenzung des Reaktorkerns bildenden Teil des den Reaktorkern in ah sich bekannter Weise umgebenen Reflektors neutronenabsorbierende Materialien vorgesehen sind.

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