DE2651313C3

DE2651313C3 - Verfahren zur Verringerung des 131-Jodgehalts im Kühlwasser eines Druckwasserreaktors

Info

Publication number: DE2651313C3
Application number: DE2651313A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl.-Chem. Dr. 8520 Erlangen Schuster
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1976-11-10
Filing date: 1976-11-10
Publication date: 1979-07-19
Also published as: ES464018A1; DE2651313B2; DE2651313A1; JPS5360484A; JPS6046678B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung des durch Brennstabhülldefekte hervorgerufenen 131-)odgehalts im Kühlwasser eines abge- r> schalteten Druckwasserreaktors, dessen Brennelemente aus einer Vielzahl metallumhüllter Brennstäbe bestehen und dessen Kühlmittelkreislauf mit einer Spaltproduktreinigungsanlage versehen ist. Ein derartiges Verfahren ist aus der US-PS 39 40 311 bekannt; dem der w Kühlmittelkreislauf des dort beschriebenen Druckwasserreaktors enthält eine Anlage, durch die Spaltprodukte, wie etwa 131-Jod, aus dem Kühlwasser entfernt werden.

Brennstäbe enthalten den Kernbrennstoff in der r. Regel in Form von UCVTabletten. Die bei der Kernspaltung während des Reaktorbetriebes erzeugten Spaltprodukte bleiben zum großen Teil an ihrem EntstPhungsort innerhalb der UC>2-Tabletten. Durch Diffusionsvorgänge gelingt es jedoch einigen dieser in Spaltprodukte, die Kernbrennstofftabletten zu verlassen. Die Spaltedelgase sammeln sich dann im sogenannten Spaltgasplenum der Brennstäbe, die übrigen Spaltprodukte, wie z. B. Jod- und Cäsiumnuklide, lagern sich zwischen der Brennstofftablettensäule und der v> Innenseite des Hüllrohres ab. Solange die Integrität der Hüllrohre gewahrt bleibt, kann keines dieser Spaltprodukte in das Kühlmittel übertreten. Die im Kühlmittel trotzdem meßbare geringe Spaltproduktkonzentration von in der Regel iil.lO-⁴ μ Ci/ml stammt hauptsächlich mi von fertigungsbedingten Uranverunreinigungen der Brennelementoberflächen. Treten jedoch Hüllrohrdefekte auf, so steigt die Spaltproduktkonzentration im Kühlmittel sehr deutlich über den genannten Wert an. Da das Kühlwasser des Reaktors ständig auch über eine b > Reinigungsanlage umgewälzt wird, die für die Entfernung radioaktiver Verunreinigungen zu sorgen hat, stellt sich ein Gleichgewichtszustand bezüglich des Gehaltes von radioaktiven Spaltprodukten im Kühlwasser ein, der von der Zahl der defekten Brennsiäbe abhängt Die Praxis hat nun gezeigt, daß die Konzentrationen dieser radioaktiven Spaltprodukte im Kühlwasser eines Reaktors nach dessen Abschaltung sehr rasch bis zu einem Höchstwert ansteigt, der durchaus das Hundertfache des Gleichgewichtswertes betragen kann. Wenn z. B. das Abschalten des Kernreaktors erfolgt, um anschließend Brennelemente umzuwechseln oder auszutauschen, so muß dazu der Deckel des Reaktordruckgefäßes geöffnet werden. Dies ist aber wegen der Radiotoxizität des Jods nur zu'ässig, wenn die Jodaktivität des Kühlmittels bestimmte Werte, in der Regel 0,1 Ci/m³, unterschreitet Dies bedeutet, daß erst der erwähnte Spitzenwert der Jodaktivität über die Reinigungsanlage abgebaut werden muß, ehe der Deckel geöffnet werden kann. Je nach Auslegung der Reinigungsanlage und der Größe der Brennstabschäden kann dieser Vorgang viele Stunden oder sogar Tage beanspruchen.

Es stellte sich daher die Aufgabe, die Wartezeit zwischen dem Abschalten des Reaktors und der Möglichkeit zum Öffnen des Reaktordeckels zu verkürzen, ohne die Reinigungsanlage zu vergrößern.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß in einem Abschaltverfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß bereits bis zu einigen Tagen vor dem geplanten Abschalten die Reaktorleistung für einige Stunden bis zur Kondensation des Kühlmittels in den defekten Brennstäben herabgesetzt wird und daß anschließend die Reaktorleistung wieder auf ihren normalen Betriebswert erhöht wird, bei dem das Kühlmittel in den defekten Brennstäben wieder in dampfförmiger Gestalt vorliegt.

Es wurde nämlich gefunden, daß ein Anstieg der Jodkonzentration bereits dann auftritt, wenn die Reaktorleistung stark herabgesetzt wird. Die Erklärung für diesen Befund liegt darin, daß im Falle eines defekten Brennstabes das Kühlmittel während des normalen Leistungsbetriebes nur in dampfförmiger Gestalt innerhalb des Brennstabhüllrohres auftreten kann, dagegen bei einer starken Leistungsherabsetzung darin kondensiert, also in flüssiger Form vorliegt und damit in der Lage ist, die wasserlöslichen Jodnuklide aufzunehmen und durch die Defektstelle in das umgebende Kühlwasser auszuschwemmen. Mit Erreichen des Maximums der Jodkonzentration ist dieser Ausschwemmvorgang praktisch beendet, so daß nunmehr die Reinigungsanlage des Kühlmittelkreislaufes zur Wirkung kommt und die radioaktiven Spaltprodukte kontinuierlich aus dem Kühlmittel wieder entfernt. Diese Kühlmittelreinigung wird fortgesetzt, auch wenn nach einiger Zeit die Reaktorleistung wieder auf ihren normalen Betriebswert erhöht wird. Wenn nach Erreichen der ursprünglichen Gleichgewichtskonzentration der Spaltprodukte im Kühlmittel die Reaktorleistung wieder kurzzeitig herabgesetzt wird, tritt wiederum ein Anstieg der Jodkonzentration auf, der jedoch schon wesentlich geringere Werte als der erste Anstieg zeigt. Je nach Verteilung der defekten Brennstäbe im Reaktorkern ist es auch möglich, daß ein solcher Anstieg praktisch nicht mehr zu beobachten ist. Ersteres ist damit zu erklären, daß durch das erneute Aufheizen der Brennstäbe und das anschließende Abkühlen und das damit verbundene Kondensieren des Wasserdampfes ein Pumpeffekt auftritt, der in steigendem Maße die Ablagerungen der Jodnuklide an der Hüürohrinnenwand beseitigt. Im zweiten Fall. d. h. beim

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alleinigen Vorliegen von Defekten im äußeren Kernbereich, ist es möglich, daß die Ablagerungen der radioaktiven Spaltprodukte auf der Hüllrohrinnenwand bereits nach der ersten Leistungsabsenkung praktisch völlig ausgespült werden. Dies bedeutet aber, daß nach der endgültigen Abschaltung des Reaktors kein erneuter Anstieg der Jodkonzentration auftritt, d. h, der Reaktordeckel kann nach wesentlich kürzerer Zeit vom Druckgefäß abgenommen werden.

Die 131-Jodaktivitätskonzentration im Kühlmittel kann sich gegenüber der Gleichgewichtskonzentration um den Faktor 30—100 erhöhen, vorausgesetzt, daß während der Abschaltung keine neuen Brennstabdefekte auftreten. Diese maximale Jodkonzentration wird dann mit einer effektiven Halbwertszeit abgebaut, die sich aus der Halbwertszeit des betreffenden Radionuklids und der Reinigungsrate des Primärkühlmittds ergibt. Für 131-Jod sind in einer Kernk. aftwerksanlage von 1200 MW dafür etwa 6,2 Stunden bei einfacher Reinigungsrate und 3,1 Stunden bei doppelter Reinigungsrate als charakteristische Werte anzusetzen.

Bei dem erwähnten Kernkraftwerk stellt sich beim Vorliegen eines normalen Brennstabdefektes eine Jod-Gleichgewichtskonzentration von 4,4 ■ 10~³ Ci/m³ ein. Bei einer Abschaltung ergab sich ein Maximum, das etwa um den Faktor 50 über dem Gleichgewichtswert lag. Eine kurzzeitige Leistungsreduktion auf 40% der normalen Betriebsleistung für die Dauer von 1 Stunde und die anschließende Erhöhung der Reaktorleistung auf den Normalwert ergab, daß je nach Lage der defekten Brennstäbe im Reaktorkern die beim Abschalten insgesamt anfallende Jod-Depotmenge um 30—70% reduziert wird. Durch die Wahl anderer Lastfolgen, wie z. B. einer Leistungsreduktion auf 30%, ergab sich noch eine weitere Reduzierung des Abschaltmaximums.

Die Größe und die Dauer der Leistungsreduktion '> richtet sich nach der vorliegenden Defektzahl, die aus der Gleichgewichtsaktivität abgeschätzt werden kann. Die Leistungsreduktion sollte etwa 1—3 Tage vor der vorgesehenen Abschaltung erfolgen. Dann kann einerseits die höhere Jodkonzentration im Kühlmittel wieder

ίο abgebaut werden und andererseits können sich in dieser Zeit keine neuen wesentlichen Jodablagerungen innerhalb der Hüllrohre aufbauen. Bei dem bereits erwähnten mehrmaligen abwechselnden Teillast- und Vollastbetrieb, der eine verbesserte Auswaschung der noch im

r> Hüllrohr verbliebenen Jodnuklide ermöglicht, hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, die Reaktorleistung wieder auf den Normalwert zu erhöhen, wenn das Maximum der Jodkonzentration durch die Reinigungsanlage etwa auf die Hälfte abgebaut worden ist Da

.'" während der nachfolgenden Normalleistungsperiode im Inneren der Hüllrohre nur Wasserdampf vorhanden ist, also keine flüssige Phase, wird während dieser Zeit nur eine verhältnismäßig geringe Menge von Radionukliden an das Kühlmittel abgegeben. Die Reinigungsanlage

.'. arbeitet jedoch weiter, so daß auch während der Vollastzeit die ursprüngliche Gleichgewichtskonzentration der Spaltprodukte im Kühlmittel wieder hergestellt wird. Die Lastabsenkungen können den Bedürfnissen der Stromproduktion abgepaßt werden. Man wird also

ι-. vorteilhaft die Teillastphase in die Nachtstunden legen und Teillastzeiten in der Größenordnung von 3—8 Stunden wählen; die übrige Zeit wird Vollast gefahren.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verringerung des durch Brennstabhülldefekte hervorgerufenen 131-Jodgehalts im ' Kühlwasser eines abgeschalteten Druckwasserreaktors, dessen Brennelemente aus einer Vielzahl metallumhüllter Brennstäbe bestehen und dessen Kühlmittelkreislauf mit einer Spaltproduktreinigungsanlage versehen ist, dadurch gekenn- u> zeichnet, daß bereits bis zu einigen Tagen vor dem geplanten Abschalten die Reaktorleistung für einige Stunden bis zur Kondensation des Kühlmittels in den defekten Brennstäben herabgesetzt wird und daß anschließend die Reaktorleistung wieder r> auf ihren normalen Betriebswert erhöht wird, bei dem das Kühlmittel in den defekten Brennstäben wieder in dampfförmiger Gestalt vorliegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Herabsetzen der Reaktorleistung -':.· mit anschließender Erhöhung auf den normalen Betriebswert mehrmals nacheinander vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der anschließende Betrieb bei dem .·ί normalen Betriebswert jeweils solange vorgenommen wird, bis sich durch die Wirkung der Reinigungsanlage eine 131-Jod-Gleichgewichtsaktivität eingestellt hat.