DE2366575C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kugelhaufenreaktor der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art.

Kugelhaufenreaktoren mit kontinuierlichem Brennele­ mentendurchlauf, bei denen kugelförmige Brennelemente im Reaktorkern als Schüttung vorliegen, gehören zum bekannten Stand der Technik. Die Kugelschüttung ist von einem Reflektor aus Graphit umgeben, dessen Wände etwa 1 m dick sind. Die Erfindung geht im Oberbegriff von einem Kugelhaufen­ reaktor aus, der in der Weise betrieben wird, daß die Brennelemente nach einem einzigen Durchlauf durch den Reaktorkern ihren Zielabbrand erreichen, Nuclear Science and Engineering, Band 47, 1972, Seiten 132 bis 139. Die Brennelemente enthalten als Krennbrennstoff ein Isotopengemisch von ²³⁵U und neutronenabsorbierendem ²³⁸U. Dadurch ergibt sich ein über die Höhe des Reaktorkerns von oben nach unten abfallendes Profil der Leistungs­ dichteverteilung. Dies optimiert die Wärmeübertragung an das bei dieser Betriebsweise abwärts durch den Reak­ tor strömende Kühlgas. Bei einer mittleren Leistungs­ dichte zwischen 9 und 12 MW/m³ ist eine mittlere Gas­ austrittstemperatur von etwa 1000°C erzielbar.

Nachteilig ist jedoch, daß der Graphit des Reflektors aufgrund der auf ihn einwirkenden schnellen Neutronen, deren Energiebereich zwischen 10⁵ und 10⁷ eV liegt, eine Schädigung erfährt. Mit wachsender Neutronendosis treten zunächst Schrumpfungserscheinungen auf und im Anschluß daran schwillt und versprödet der Graphit. Dieser Schädigungsvorgang vollzieht sich um so schneller, je höher die Temperatur während der Bestrahlung ist. Um dies zu vermeiden, durfte bisher die zulässige schnelle Dosis von etwa 4,7 × 10²² cm/^-2 nicht überschritten werden. Da jedoch die zulässige Belastung der Brennele­ mente eine Erhöhung der mittleren Leistungsdichte bis zu 15 MW/m³ zuläßt, stellte dies eine unerwünschte Begrenzung der Leistungsdichte dar. Diese Leistungsbe­ grenzung, bei der also noch keine Gefährdung des Graphits des Reaktors auftritt, lag bisher bei etwa 7 bis 10 MW/m³.

Aufgabe der Erfindung ist es, Voraussetzungen für die Möglichkeit zu schaffen, bei gleichbleibender Lebens­ dauer des Reflektors die mittlere Leistungsdichte und damit die Gesamtleistung eines Kugelhaufenreaktors zu erhöhen.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es dabei darauf ankommt, in den am stärksten belasteten Bereichen des Reflektors die Dosis schneller Neutronen zu vermin­ dern. Sie geht von der weiteren Erkenntnis aus, daß insbesondere die inneren Grenzschichten des Deckenteils des Reflektors und die oberen Teile des Seitenreflek­ tors einer hohen Dosisbelastung ausgesetzt sind. Es ist deshalb insbesondere dann, wenn das Kühlgas, das den Reaktorkern durchströmt, auf eine Temperatur oberhalb von 850°C aufgeheizt werden soll, der Beanspruchung der verwendeten Werkstoffe infolge der hohen Temperatur hinreichend Rechnung zu tragen.

Die vorstehend bezeichnete Aufgabe wird bei einem Kugel­ haufenreaktor der eingangs angegebenen Art gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Durch die angegebenen Maßnahmen wird der schnelle Neutronenfluß im Seitenreflektor erheblich vermin­ dert. Je nach Zugabe Neutronen absorbierender Stoffe läßt sich der Neutronenfluß zwischen 30 und 40% oder im Bedarfsfalle zwischen 20 und 80% verringern. Dies vermindert die Dosisschädigung in gleichem Maße, so daß es möglich ist, die Leistungsdichte des Kugel­ haufenreaktors entsprechend zu erhöhen.

Um die Dosis schneller Neutronen im Seitenreflektor zu verringern, ist es zweckmäßig, die Brennelemente, die die Neutronen absorbierenden Stoffe enthalten, in einer 20 bis 40 cm breiten Randzone anzuordnen, Patentanspruch 2.

Bevorzugt einsetzbare, Neutronen absorbierende Stoffe sind in Patentansprüchen 3 bis 5 angegeben. Es handelt sich um sog. "abbrennbare Neutronengifte", also solche Stoffe, die mit wachsender Neutronendosis ihre Wirksam­ keit verlieren. So wird in Nukleonik 9, 1967, S. 372 bis 380 der Einsatz von Bor in Brennelementen untersucht. Bei Verwendung eines Plutonium-Isotopen­ gemisches mit hohem Anteil von ²⁴⁰Pu wird die Umwandlung des vorgenannten Isotops zum Isotop ²⁴¹Pu ausgenutzt. Durch diese Spaltstoffbildung beim Durchlauf der Brenn­ elemente wird trotz niedrigeren Spaltstoffmengen in den dem Reaktorkern zugegebenen Brennelementen eine der gebildeten Spaltstoffmenge entsprechend höhere Leistungs­ dichte in tiefer liegenden Reaktorbereichen erzielt, die durch die Dosisbelastung nicht gefährdet sind.

Da das ²⁴⁰Pu gewöhnlich in Mischungen der Isotope ²³⁹Pu + ²⁴⁰Pu + ²⁴¹Pu + ²⁴²Pu vorliegt, überlagert sich bei der Verwendung eines Plutoniumgemisches noch ein zwischen­ zeitlich ablaufender Aufbau von ²⁴⁰Pu, der sich aus Neutroneneinfängen im ²³⁹Pu ergibt. Das hat praktisch die Wirkung, daß das Abbrennen von ²⁴⁰Pu verzögert wird. Wird das Plutoniumgemisch mit einer dem Bedarfs­ falle entsprechenden Zusammensetzung in den Reaktor von der Seitenwandung des Reflektors her eingegeben, so ist damit auf einfache Weise eine Dosisentlastung des Seiten­ reflektors im gesamten oberen Drittel zu erzielen. Es hat sich gezeigt, daß je nach der Menge des eingesetzten Plutoniums die schnelle Dosis um 20 bis 60% vermindert werden konnte.

Eine weitere sehr zweckmäßige Maßnahme gemäß der Erfin­ dung besteht darin, daß als Neutronen absorbierender Stoff ²³²Th verwendet wird. Auch dadurch wird erreicht, daß im oberen Teil des Reaktors Neutronen eingefangen und im unteren Teil der Bruteffekt von ²³²Th ausgenutzt wird. Zwar ist der Wirkungsquerschnitt von ²³²Th verhält­ nismäßig niedrig, so daß das ²³²Th nur zu einem geringen Teil, d. h. bis zu etwa 10% abbrennt. Durch die Verwen­ dung von ²³²Th ist nur eine geringfügige Verminderung des thermischen Neutronenflusses im oberen Teil des Reflektors erzielbar. Der Vorteil dieser Maßnahme liegt jedoch in der Verminderung der Spaltstoffkonzentration im oberen Teil des Reaktorkerns, so daß auch durch diese Maßnahme die Leistungsdichte im oberen Bereich des Reflektors und eine Verschiebung zum tieferen Be­ reich hin erzielt wird. Damit ist gleichfalls eine Dosisentlastung der oberen Reflektorbereiche verbunden. Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, daß der Anteil an ²³²Th zwischen 20 und 30 g je kugelförmigen Elements beträgt.

Der Vorzug der Ausgestaltung des Kernreaktors gemäß der Erfindung besteht in der Einfachheit und in der hohen Anpaßbarkeit an die jeweils vorliegenden Verhältnisse. Daher ist es im Verlauf des Reaktorbetriebs ohne weiteres möglich, die erfindungsgemäßen Maßnahmen nebeneinander anzuwenden und somit den Betrieb den sich ändernden Verhältnissen sehr genau anzupassen.

So ist es beispielsweise möglich, die Beschickungsweise des Reaktors derart zu verändern, daß die maximale Einwirkung des schnellen Flusses auf den Mantelreflektor während der ersten 5 bis 10 Betriebsjahre des Reaktors unterhalb der Reaktormittelebene erfolgt, im weiteren Verlauf jedoch in das obere Viertel des Reaktors ver­ lagert wird. Auf diese Weise wird die gleichmäßige Verteilung der Dosis auf den Mantelreflektor ermöglicht. Da diese Verlagerung praktisch auf einer Verlagerung der Leistungserzeugung beruht, folgt daraus, daß während der ersten Betriebsjahre im oberen Teil des Reflektors die schnelle Dosis bei verhältnismäßig geringen Tempe­ raturen einwirkt, so daß die Beschädigung des Graphits des Reflektors während dieses ersten Zeitraumes nur sehr gering ist. Im unteren Teil des Reflektors wird sodann in dem sich daran anschließenden Betriebszeitraum bei niedrigem Fluß und hoher Temperatur ein partielles Ausheilen etwa entstandener Strahlenschäden begünstigt. Die Maßnahmen gemäß der Erfindung können durch ent­ sprechende Ausnutzung und/oder durch zusätzliche Anord­ nung von den Reaktorbetrieb steuernden Absorberstäben unterstützt werden.

In der Zeichnung ist zur Veranschaulichung der Maßnahmen gemäß der Erfindung der schnelle Neutronenfluß bzw. die Jahresdosis entlang der inneren Begrenzung des Seiten­ reflektors nach Zugabe dotierter Brennelemente darge­ stellt.

Der in der Zeichnung wiedergegebene Neutronenfluß be­ zieht sich auf einen Kugelhaufenreaktor mit Einmaldurch­ lauf, bei dem die kugelförmigen Brennelemente stetig zugegeben und abgezogen werden und nach einmaligem Durchlauf ihren Endabbrand erreichen. Die Leistungs­ dichte des Kugelhaufenreaktors beträgt 8 MW/m³. Die dotierten Brennelemente werden in einer an den Seiten­ reflektor angrenzenden Randzone zugegeben.

In der Zeichnung ist die schnelle Neutronendosis an der Wand des Seitenreflektors über die Höhe des Reaktorkerns aufgetragen. Der Kurvenverlauf ist mit A bezeichnet. In die Randzone waren je 100 Kugeln eingebracht, die je 1360 g ²³²Thorium und 158 g ²³⁵Uran enthielten. Aus wirtschaftlichen Gründen wurden Brennelementkugeln und reine Graphitkugeln im Verhältnis 75,5 : 24,5 gemischt, so daß pro eingesetztes Brennelement der Gehalt an Brut- und Spaltstoff 18,1 g ²³²Thorium und 2,1 g ²³⁵Uran betrug.

Die Kurve B zeigt die schnelle Neutronendosis an der Wand der Seitenreflektors für eine Kugelschüttung, deren Randzone mit Kugeln beschickt worden war, die je 100 Kugeln jeweils 1890 g ²³²Thorium und 122 g ²³⁵Uran enthielten. Bei dieser Beschickung wurden keine Graphit­ kugeln zugegeben, da der Spaltstoffgehalt in den Kugeln selbst herabgesetzt worden war. Die Kugeln enthielten also jeweils 18,9 g ²³²Thorium und 1,2 g ²³⁵Uran.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, wurde im Mittel die schnelle Neutronendosis im oberen Drittel des Seitenreflektors aufgrund der für den Kurvenverlauf B eingeführten Maß­ nahmen um 24% erniedrigt. Zwar stieg die schnelle Neutronendosis aufgrund des erhöhten Bruteffektes im unteren Bereich des Reflektors geringfügig an. Das kann jedoch ohne weiteres in Kauf genommen werden, da in diesem Bereich die technologisch zulässige Grenze ohne­ hin nicht erreicht wird. Der Vorzug der Anwendung der Maßnahmen gemäß der Erfindung wird auch dadurch verdeut­ licht, daß die Kosten für den Brennstoffzyklus praktisch gleich groß sind, wie dies der Fall ist, wenn diese Maßnahmen nicht angewandt würden.

Claims (6)

1. Gasgekühlter Kugelhaufenreaktor mit Brennelementen, die als Kugelschüttung einen von einem Reflektor aus Graphit umgebenen Reaktorkern von oben nach unten in gleicher Richtung wird das Kühlgas durch­ laufen und die nach einmaligem Durchlauf den Endab­ brand erreichen, wobei die Brennelemente neben Kernbrennstoffen auch neutronenabsorbierende Stoffe enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß in einer an die Wand des Seitenreflektors angrenzen­ den Randzone des Reaktorkerns zumindest ein Teil der Brennelemente zusätzliche neutronenabsorbierende Stoffe aufweist, die ihre Wirksamkeit beim Durchlauf der Brennelemente verringern.

2. Kugelhaufenreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Randzone 20 bis 40 cm breit ist.

3. Kugelhaufenreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als neutronenabsorbierende Stoffe Bor oder Hafnium verwendet werden.

4. Kugelhaufenreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als neutronenabsorbierender Stoff ein Plutonium- Isotopengemisch mit hohem Anteil des Isotops ²⁴⁰Plu­ tonium verwendet wird.

5. Kugelhaufenreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als neutronenabsorbierender Stoff ²³²Thorium verwendet wird.

6. Kugelhaufenreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an ²³²Thorium zwischen 20 und 30 g je Brennelement beträgt.