DE2543446A1

DE2543446A1 - Core eines schnellen brutreaktors

Info

Publication number: DE2543446A1
Application number: DE19752543446
Authority: DE
Inventors: Christian Giacometti; Jean-Claude Mougniot; Jean Ravier
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1974-09-30
Filing date: 1975-09-29
Publication date: 1976-04-15
Also published as: ES441269A1; FR2286472A1; US4056437A; JPS5160889A; BE833808A; GB1512578A; IT1044672B; FR2286472B1

Description

DR--,. KADOR & KLUNKER 8 München 22 · Knoebelstraße 36

29- September 1975 K 11 204/kd-ho

Commissariat a 1'Energie Atomique Paris, Frankreich

Gore eines schnellen Brutreaktors

Die Erfindung betrifft eine neue Gestaltung des Gores eines Atomreaktors mit schnellen Neutronen, auch genannt Brutreaktor.

Es ist bekannt, daß das Gore eines derartigen Reaktors gewöhnlich aus einem Innenbereich besteht, der ein spaltbares Material enthält, und daß dieser Inrcnbereich vollständig von einem Außenbereich umgeben ist, der das Brutmaterial enthält und Brutmantel genanrt wird.

Auch das Gore des derzeit im Betrieb befindlichen Reaktors Phönix weist z„ B₀ in seinem inneren Teil als "Fissiles" bezeichnete Sätze auf, die in zylindrischen koaxialen Behältern untergebracht sind, wobei jeder Satz aus einem Bündel von vertikal im Innern eines offenen Behälters angeordneten Stäben besteht, welcher der Handhabung des Satzes dient und sicherstellen soll, daß die einzelnen Sätze im Core zweckmäßig eingelagert werden können, wobei die Behälter zusätzlich noch die Strömung des Kühlmittels für die Stäbe leiten» Jeder Stab hat einen Mittelbereich, der ein spaltbares Material enthält und der beiderseits vom Brutstoff in aus-

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reichender Höhe umgeben ist, um die obere und untere axiale Abdeckung ?,n schaffen, die einen Teil der Gesamtabdeckung darstellt, während der Rest durch eine seitliche Abdeckung geschaffen wird.

Im Falle des Reaktors Phönix ist der Mittelbereich jedes Stabes im Innern durch einen Stapel von Tabletten aus Oxyd von llatururan oder abgereichertem Uran und Plutonium gebildet, do h. aus einer sehr eng durchsetzten Mischung von Spaltstoff und Brutstoff, während die oberen und unteren Bereiche eines Stabes innerhalb derselben Hülse aus einem Tablettenstapel von brutfähigem natürlichen oder verbrauchten Uranoxyd bestehen. Um den Mittelbereich herum sind wiederum sogenannte ■Rrutsätze angeordnet, ebenfalls in konzentrischen und koaxialen lagen, wobei jeder Brutsatz wie die Spaltsätze aus einem Bündel von Stäben besteht, die in einem offenen Behälter enthalten sind. Jeder Stab erhält lediglich Brutstoff in Form einer Tablettensäule aus natürlichem oder verbrauchtem Uranoxyd. Bei dieser klassischen Ausbildung ist das Core des-Reaktors der Mittelteil, der einen oder mehrere Zonen aufweisen kann, in denen die Anreicherung des Brennstoffs unterschiedlich ist, wobei der Gehalt oder die Anreicherung definiert ist durch das Verhältnis der Menge von Spaltstoff zur Gesamtmenge aus Spaltstoff und Brutstoff, welche in dem betrachteten Bereich enthalten sind.

Man weiß beispielsweise, daß in einer solchen bekannten Einrichtung für die Wirtschaftlichkeit des Reaktors ein Faktor äußerst wichtig ist, der "Gesamtregenerationsgrad" (GRT) genannt wird und der definiert wird durch die Differenz zwischen der Menge an Plutonium Pu 239, das gebildet wird und der Menge an Pu 239, das zerfällt in der Gesamtmasse, die im Brennzyklus erfaßt wird, wobei diese Differenz auf ein schweres Atom bezogen wird, das der Spaltung unterliegt. In Reaktoren mit schnellen Neutronen der klassischen Konzeption ist der Gesamtregenerationsgrad des Brennstoffs positiv, jedoch im allgemeinen begrenzt. Daraus folgt, daß die Ver-

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dopplungazeit des Reaktors, die Zeit also, die nötig ist, bis die Produktion an Brennstoff den Zyklus eines neixen schnellen Reaktors derselben leistung speisen kann, im allgemeinen lang ist, da die Yerdopplungszeit von der GoGamtnasoe des Spaltstoffes in dem Zyklus des Brennstoffes χχνΛ dem Gesamtregenerationsgrad GRT abhängt.

Mit der Erfindung soll eine neue Anordnung eines Cores für einen schnellen Brutreaktor geschaffen v/erden, der eine Verbesserung des Gesamtregenerationsgrades und folglich eine beträchtliche Einschränkung der Yerdopplungsze.it des Reaktors ermöglicht«,

Somit wird mit der Erfindung ein Core für einen Kernreaktor mit schnellen Neutronen geschaffen, dessen innerer Bereich durch eine Zone von Brutstoff umgeben ist, welche eine äußere Umhüllung darstellt, der dadurch gekennzeichnet ist, da?- der eine heterogene Struktur aufweisende innere Bereich mit einer Anreicherung gebildet ist, die durch in radialer Richtung abwechselnde koaxiale Zylinderlagen von Spaltstoff und Brutstoff gebildet ist, die vertikale Kassetten bilden.

Vorteilhafterweise v/eist das Reaktor-Core nach der Erfindung im Innenbereich eine einzige Anreicherung auf. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, vielmehr kann das Core auch aus mehreren Anreiehungssonen bestehen, die gleich aufgebaut sein können.

Nach einem speziellen Merkmal der Erfindung befinden sich in den vertikalen Kassetten in abwechselnd übereinander liegenden Schichten Spaltstoff und Brutstoff. Außerdem können die koaxialen Lagen im Innenbereich durchgehend oder auch unterbrochen sein.

Die Erfindung soll nun an einzelnen Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben und erläutert werden. Es zeigen:

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Fig. 1 eine Schemadarsteilung eines vertikalen Schnitts -lurch ein Realctor-Core einss Brutreaktors mit sohnoll en neutronen in herkömmlicher Bauweise;

Fig. 2 den vertikalen Schnitt durch ein "bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, ebenfalls schematisch;

Pig. 3 eine Kurve, die die Abhängigkeit des Gesamtregenerationsgrades eines Brutreaktors von der Anreicherung oder dem G-ehalt an Brennstoff darstellt;

Pig. 4 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung;

Pig. 5 im Schema eine Variante im Auf hau des Cores nach Figuren 2 oder 4;

Fig. 6 die radiale Verteilung der Leistung in einem Core mit heterogenem Inneribereich gemäß Fig. 2.

Gemäß Fig. 1 ist das Core eines klassischen Reaktors aus einem Innenbereich aus Spaltstoff 1 aufgebaut, der zur Gänze außen von einem äußeren Bereich aus Brutstoff 2 umschlossen ist, wobei die Trennlinie 3 die Grenze zwischen Innenbereich und Außenbereich darstellt. Das Core ist rotationssymmetrisch zur Achse Y-Y', und die (nicht dargestellten) Kassetten enthalten den erforderlichen Spaltstoff und Brutstoff, die in koaxialen Lagen untergebracht sind, nach den Bereichen sauber differenziert. Der Innenbereich 1 weist bei dieser klassischen Lösung eine oder zwei verschiedene Zonen auf, in denen die Anreicherung des Brennstoffs in den Kassetten unterschiedlieh ist. Die Achse X-X' stellt schematisch die Mittelebene des Cores dar.

Fig. 2 zeigt, wie gemäß der Erfindung Brutstoff in das Innere des Spaltstoffbereiches eingeführt werden kann, um in diesem Bereich eine heterogene Durchmischung aus Spaltstoff und Brutstoff zu erzielen. Bevorzugt wird der Innenbereich 1 aus einer Folge von koaxialen Schichten 4 und 5 aufgebaut, welche aus Spaltstoff und Brutstoff bestehen. Mit dem Bezugszeichen 6 sind die Plätze für Regelstäbe bezeichnet, die

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schematise!! angedeutet sind.

Diese Anordnung ist besonders leicht zu verwirklichen, denn die Srennstoffkassetten, die bei dieser Ausführungsform des Cores verwendet werden, können aus nur zwei verschiedenen ■Typen bestehen, nämlich denen, die für den Spaltbereich, und denen, die für den Brutbereich vorgesehen sind, wobei die beiden Kassettentypen von der Achse Y-T^! des Cores in abwechselnder Folge angeordnet werden. Dies führt naturgemäß au einer wesentlichen Herstellungsvereinfachung.

'wenn die Umhüllung aus Brutstoff 2 eine Dicke hat, die ausreicht, um den Feutronenstrom, der aus dem Innenbereich austritt_p praktisch zu Hull r.u machen, kann man feststellen, daß der Gesamtregenerationsgrad GRS umso höher liegt, je höher der Gehalt an Spaltstoff in Brennstoff ist. Diese Eigenschaft ergibt sich aus der Kurve nach Pig. 3.

in

Y/ährerid man der klassischen Konzeption gemäß Fig. 1 gewöhnlich den Gehalt an Spaltstoff im Brennstoff mit der Größe des Core vermindert und folglich auch den Gesamtregenerationsgrad GRT, ist es möglich, bei der heterogenen Konzeption nach der Erfindung bei gleichem VerlustanteU abhängig von der Reaktorgröße irgendein Anteilsverhältnis zu wählen, in--dem einfach mehr oder weniger Brutstoff in den Innenbereich 1 eingebracht wird ο

!lach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 4 können die Spaltstoffkassetten im Innenbereich aus diskontinuierlichen Ringen aufgebaut sein, so daß sie aufeinander folgende Inseln mit beliebigen Zwischenräumen darstellen,, Schließlich können in den Spaltstoffkassetten sowohl bei den durchgehenden Ringen gemäß Fig₀ 2 als auch bei den diskontinuierlichen Ringen gemäß. Fig. 4 die Spaltstoffteile in voneinander getrennten Schichten 8 übereinander angeordnet sein (Fig. 5), wobei dazwischen Lagen aus Brutstoff 9 eingelagert sind, v/odurch die intensive Durchsetzung

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des Spaltetoffs mit Brutstoff im Innenbereich 1 nochmals verbessert wird.

Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht es außerdem, infolge der Produktion von Spaltmaterial, speziell von Plutonium aus Uran 233 in den Brutstoff schichten, die in den Innenbereich eingesetzt sind, daß der innere Regenerationsgrad (GRl) g, der als Gewinn an Spaltstoff in der Anordnung des Innenbereichs definiert ist, eine globale Fortentwicklung der Reaktivität im Core zu erhalten ermöglicht, die Full wird und eventuell sogar positiv. Dieser außerordentliche Vorteil ermöglicht es, die Zahl der Regelstäbe beträchtlich zu vermindern, die für die Regelung des Reaktors erforderlich sind, und folglich den Verlust von Neutronen in den Stäben einzuschränken. Der Gesamtregenerationsgrad wird damit erheblich verbessert wie auch die Verdoppelungszeit. Jedenfalls ist festzustellen, daß im Pail der Darstellung der Wert des internen Regenerationsgrades (GRI) g so gewählt sein sollte, daß die Regeneration an Plutonium dessen Verbrauch für die Spaltung kompensiert und auch den Einfluß der Vergiftung durch die Spaltprodukte, so daß der interne Regenerationsgrad (GRl) g im allgemeinen geringfügig positiv und etwa nahe 0,05 sein sollte.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung gegenüber dem klassischen Reaktor gemäß Fig. 1, welcher zwei Anreicherungszonen aber keine inneren Brutstoffschichten aufweist, beruht auf der Möglichkeit, eine Leistungsabflachung zu erzielen, verbessert durch überlegte Anordnung der Brutstoffschichten 3 im Innenbereich 1, wobei dieser Vorteil durch Untersuchung der Kurve der Fig. 6 bestätigt gefunden wird, die weiter unten in Verbindung mit der Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispiels noch erläutert wird. Die Verwendung einer stärkeren Anreicherung im Core ermöglicht einen niedrigeren Ueutronenstrom, was im Hinblick auf die Haltbarkeit der Stabhülsen und der Kassettenboxen ein eminent günstiger Faktor ist. Da diese Strömung proportional dem

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Produkt aus dem Neutronenfluß mal der Zeit ist, weiß man, daß die Wirkung auf das Baumaterial des Cores des Reaktors und speziell auf die Hülsen der Kassetten allgemein "beim Berechnen der integrierten Dosis in Verschiebung der Atome in Rechnung gestellt wird. Man weiß außerdem, daß die lineare Leistung, die ein Brennstab im Core abgehen kann, durch seine Konstruktion festliegt und diese leistung groh gesprochen proportional dem Produkt aus der Anreicherung oder dem Gehalt und dem Fluß mit einem Proportionalitätskoeffizienten ist, der den wirksamen Einfangquerschnitt des Stabmaterials ■berücksichtigt. Unter diesen Toraussetzungen sieht man, daß hei einer Steigerung der Anreicherung, wie sie durch die Erfindung ermöglicht wird, der Fluß abnimmt und somit auch die Strömung oder Atomverschiebung, womit entsprechend eine geringere Aufblähung der Hülsen und der übrigen, im Gore vorhandenen Metallstrukturen einhergeht.

Die Erfindung ermöglicht schließlich, im Core des Reaktors einen Leer-Ko effizient en für das verwendete Kühlmittel, üblicherweise ein flüssiges Metall wie etwa Natrium, zu verwirklichen, was mit anderen Worten heißt, daß, wenn hei einem Unfall Kühlmittel ausläuft, die Steigerung der Reaktivität weniger stark ist als hei der klassischen Lösung. Schließlich kann wegen der vernachlässigbaren, wenn nicht gar vollständig NuIl seienden Entwicklung des internen Regenerationsgrades (GRI) g die Dauer des' Brennzyklus im Core "belieMg sein und die Lebensdauer des Brennstoffes selbst erreichen«,

Zur Erläuterung werden nachfolgend Angaben über den Aufbau eines Cores gemacht, das gemäß Fig. 2 gestaltet ist,

Tolumen-/i des Brennstoffs (Spaltstoff):

Stahl (Hülsen und tragende Teile) 22,3 #

Natrium (Kühlmittel) 40,6 £

Brennstoff (UO₂ + PuO₂) 32,9 f

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Volumen-?; des Brutstoffs:	19,	2 <
Stahl	27,	8«
Na ti" ium	50,	-> I^J
Brutstoff	100	cm
Höhe des Brennstoffs	500	W/ cm
lineare Leistung im Brennstoff	115	000 MWJ/T
maximale Brennrate

Stärke der Abdeckung in axialer und radialer Richtung im Außenbereich 50 cm

Durchmesser der Brennstofftabletten

in den Stäben 5,5 mm

Gehalt oder Anreicherung/ ^:Bu02 ■, 33,5 $

^PuO+UO^;

Anzahl der Regelstäbe

Figo 6 zeigt für ein derartiges Beispiel die Leistung in der Mittelebene des Cores am Anfang und am Ende des Zyklus (durchgezogene Kurve und gestrichelte Kurve) bei einem Zyklus von 308 Tagen, wobei der Ladefaktor außerordentlich hoch, nämlich 0,84 ist. Man stellt leicht die deutliche Abflachung der Kurven fest. Die Werte des Cores sind die folgenden:

Veränderung der Reaktivität nach

308 Tagen Strahlung - 250 pcm

Gesamtregenerationsgrad (GRT) 0,47 innerer Regenerationsgrad (GRI) g 0,031 errechnete Verdopplungszeit 12 Jahre Wirkunge bei Auslaufen des

Fatriums aus dem Core + 700 pcm

Paktor der Gesamtabflachung 1,42 integrierte Dosis der Verschiebung je Atom (DPA) '

Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist«, Das heißt unter anderem, wenn, als Spaltstoff und Brutstoff im Voranstehenden die Verbindung Pu 239 - U 238 betrachtet wurde, lassen sich die beschriebenen Vorteile auch bei einer Kombination

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Th 232 - U 233 in einem schnellen Brüter mit einem heterogenen Gore genäS der Erfindung nut2en„

Claims

- ίο -

PATENTANSPRÜCHE

1 J Core für einen schnellen Brutreaktor, der einen Innenbereich aufweist, der von einem Bereich aus Brutstoff als äußere Umhüllung umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenbereich dergestalt heterogen aufgebaut ist, daß er eine Anreicherung durch in radialer Richtung abwechselnde zylindrische koaxiale Schichten, die aus vertikalen Kassetten gebildet sind, aus Spaltstoff und Brutstoff aufv/eist.
2. Core nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da3 der Innenbereich eine einzige Anreicherung aufv/eist.
3ο Core nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikalen Kassetten abwechselnd übereinander liegende Schichten aus Spaltstoff und Brutstoff aufweisen.
4. Core nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Schichten im Innenbereich ununterbrochen sind.
5. Core nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Schichten des Innenbereichs unterbrochen sind.
6. Core nach Anspruch 1, dacfech gekennzeichnet, daß die Aufteilung der Schichten, a^a Spalts to f λ uind Brutstoff im Inneiibereich und «l.ie A:ov-:iul:erun3 <ϋ3Γρ.ττ^;; ,^j-.-rählt sind, cla2 Cxv Regeneration·:μ,νίΛ '-:·ν. Q^'iex gerade r^agegl'dienen