DE2746159A1

DE2746159A1 - Kernenergieanlage mit einrichtung zur kuehlmittelreinigung

Info

Publication number: DE2746159A1
Application number: DE19772746159
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl Phys Merkel
Original assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Current assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Priority date: 1977-10-14
Filing date: 1977-10-14
Publication date: 1979-04-19
Also published as: FR2406291A1; BE871198A; GB2005900A; GB2005900B; NL7810346A; FR2406291B1

Description

- 2 - 24.385.6

"We/Lt 06.10.1977

INTERATOM

Internationale Atonireaktorbau GmbH 5060 Bergisch Gladbach 1

Kernenergieanlage mit Einrichtung zur Kühlmittelreinigung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mit Flüssigmetall, z.B. Natrium, kühlbare Kernenergieanlage mit einer Einrichtung zur Reinigung des mit einem Schutzgas, z. B. Argon, abdecl<baren Kühlmittels von langlebigen Spaltung Aktivierungsprodukten, die flüchtiger sind als das Kühlmittel selbst, z. B. Cäsium. Die bei der Spaltung von Kernbrennstoff entstehenden Spaltprodukte sollen durch die Brennstoffumhüllung zurückgehalten werden. Bei der großen Anzahl der in einem Kernreaktor verwendeten Brennstäbe läßt sich jedoch ein gelegentliches Undichtwerden einzelner Stäbe nicht ausschließen, das unter Umständen auch erst nach einer gewissen Zeitspanne bemerkt wird, oder das aus anderen Gründen nicht sofort "durch Auswechseln des schadhaften Stabes behoben werden kann- Dabei gelangen vor allem die flüchtigen Spaltprodukte in das Kühlmittel und werden in diesem über den gesamten Primärkreislauf der Anlage verteilt- Besonders schädlich wirken sich dabei die langlebigen Cäsiumisotope Cs (Halbwertzeit 2,06 Jahre) und C (Halbwertzeit 30 _f-\ Jahre) aus. Zum Teil verbleiben sie im Kühlmittel, z. T. gelangen sie in die Schutzgasatmosphäre und belasten bei Leckagen aus dieser die Umwelt, z. T. lagern sie sich in der Anlage ab, so daß auch nach Ablassen des Kühlmittels Strahlenschutzprobleme bei Wartungs- und Reparaturarbeiten am Kühlmittelkreislauf bestehen bleiben.

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Das als Kühlmittel verwendete Flüssigmetall verdampft an seiner Oberfläche in die Schutzgasatmosphäre. Bei einer angenommenen Oberflächentemperatur des Natriums von 819 K und einem Argondruck von ca. 1 bar ist der Gleichgewichtszustand bei einem Natriumgehalt von 4,5 . 10 kg/m erreicht. Es hat sich jedoch gezeigt, daß es infolge der Temperaturgradienten in der Schutzgasatmosphäre zu Aerosolbildung und damit zu einem

-2 3 Natriumgehalt von ca. 5 . 10 kg/m kommt. Um ζ. B. Natriumablagerungen in den Spalten zwischen dem Reaktorbehälter und seinem Drehdeckel zu verhindern, wird das Schutzgas laufend von Metallaerosolea befreit, wozu z. B. eine Dampffalle Verwendung finden kann, wie sie von der Anmeldurin in den DT-OS 20 36 568 und 21 13 beschrieben worden ist. Es hat sich ferner gezeigt, daß Spaltprodukte, die stärker flüchtig sind als Natrium, bevuizugt in den Kühlmittelaerosolen zu finden sind. Dieser Umstand ist benutzt worden, um im Zuge der Reinigung des Schutzgases von Kühlmittel auch die genannten Spaltprodukte bevorzugt abzuscheiden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Einrichtung an einer flüssigmetallgekühlten Kernenergieanlage, die es gestattet, langlebige Spaltprodukte, insbesondere Cäsium, mit hohem Wirkungsgrad aus dem Reaktorkühlmittel zu entfernen.

Die Aufgabe wird gelöst, indem im Anschluß an eine in an sich bekannter Weise im Schutzgaskreislauf angeordnete Dampffalle eine Destilliervorrichtung für das in der Dampffalle abgeschiedene Flüssigmetall vorhanden ist. Bei einem Siedepunkt von Cäsium von 943 K und einem Siedepunkt von Natrium von 1.153 K

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ist ein Abdestillieren des ersteren Stoffes aus dem Kühlmittel ohne Schwierigkeiten möglich, und letzteres kann im Gegensatz zur bisherigen Übung, wo es unmittelbar von der Dampffalle in die Anlage zurückgeleitet wurde, von besonders lästigen Spaltprodukten gereinigt werden.

Der Nutzen der Erfindung wird anhand einer Rechnung deutlich, wie sie für einen schnellen Kernreaktor von 300 MW angestellt wurde, der insgesamt 544 t Natrium enthält. Von dem das Kühlmittel abdeckenden Schutzgas werden stündlich 50 Nm über Dampffallen der oben bezeichneten Art geleitet. Werden die obengenannten Temperatur-, Druck- und Anre i ehe ι ungsverba'l tnisse zugrundegelegt, ergibt sich ein Natriumgchalt von 0,15 kg/Nm . Wird der Einfachheit halber eine Abscheidewirksamkeit der Dampffallen von 100 % angenommen, werden stündlich 7,5 kg und im Jahr 65,7 t Natrium abgeschieden, d. h., bezogen auf das Gesamtinventar beträgt der Reinigungsdurchsatz 0,121/a. Das Cäsium ist in den Aerosolen, bezogen auf sein Gesamtverhältnis zum Natrium um mindestens den Faktor 10 angereichert, so daß dessen Reinigungsdurchsatz mit ca. 1,21/a anzusetzen ist. Die auf ein Spaltprodukt zurückgehende Radioaktivität in der Anlage würde ohne Gebrauch der erfindungsgemäßen Einrichtung entsprechend der Formel

(1 - e" ^L) (1)

ansteigen. Darin sind:

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q = Konstante der Aktivitätsfreisetzung

X = Zerfallskonstante

e = Basis des natürlichen Logarithmus

t = Zeit

Wird jedoch die erfindungsgemäße Einrichtung benutzt, so steigt die Aktivität nur entsprechend der Formel

^r)t) (2)

Darin ist:

r = Reinigungsrate in Bruchteilen des

gesamten Kühlmittelinhalts je Zeiteinheit,

Für Cs mit einer Halbwertzeit von 30,1 Jahren ist

In2 ₌ 0,023 30,1 a a

λ + τ = 0,023 + 1,21 = 1 ,233

Über die angenommene Lebensdauer des Kernreaktors von 30 Jahren gerechnet, ergibt sich die Aktivität ohne Reinigung zu

Z - q π _ _e-0,693) _ (1 - 0,5) 30 a " 0,023/a ^l' ^e ~ ^q 0,023/a

= q . 21 ,6 a

§09816/034?

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Dagegen ist der Aktivitätsanstieg mit Reinigung

^ ₌ q ₍₁ _ _e-1,233/a 30 a.

^Z30 a ¹ '²^/*

= q . 0,81 a
Es ergibt sich ein Verhältnis von

^ - £14 - 27

Z °'⁸¹

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d.h., die in der Anlage vorhandene, auf Cs zurückzuführende Aktivität ist nach 30jähriger Betriebszeit beim Einsatz der erfindungsgemäßen Einrichtung 27 mal geringer als ohne sie.

Bei Cs wäre das Verhältnis immerhin noch größer als

Ist, wie neuere Messungen vermuten lassen, der Grad der Anreicherung des Cäsiums in den Kühlmittelaerosolen im Schutzgas noch höher als oben angenommen, erhöht sich die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Einrichtung noch weiter.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in der Zeichnung dargestellt.

In einem mit einem Deckel 2 verschlossenen Reaktorbehälter ist eine Spaltzone 3, u. U. mit umgebender Brutzone angeordnet. Die Kühlung der Spaltzone 3 erfolgt durch
flüssiges Natrium, das den Reaktorbehälter 1 bis zu
einem Spiegel 4 füllt und, durch hier nicht gezeigte Pumpen umgewälzt, die in der Spaltzone 3 erzeugte Wärme über eine Saugleitung 5 abführt; über eine Druckleitung wird es in den Reaktorbchälter 1 zurückgeleitet. Ein Raum 7 oberhalb des Kühlmiti elspiegels 4 ist mit Argon gefüllt, in dem bei Betriebstemperatur des Reaktors eine erhebliche Aerosolbildung stattfindet, wobei etwa aus dem Kühlmittel ausdampfendes, z.B. aus schadhaften Elementen der Spaltzone 3 stammendes Cäsium in diesen Aerosolen angereichert ist. Das Argon aus dem Raum 7 wird zur Reinigung laufend über eine Leitung 8 und mit Hilfe
eines Gebläses 9 einer Dampffalle 10 zugeleitet, die mit Sintermetallkörpern 11 bestückt ist, an denen sich das als Aerosol im Schutzgas mitgeführte Natrium
abscheidet. Das gereinigte Argon wird über eine
weitere Leitung 12 in den Raum 7 zurückgeleitet. Das abgeschiedene flüssige Natrium wird über" eine weitere Leitung 13 einer Destilliervorrichtung 14 zugeführt, wo ζ. B. Cäsium abdestilliert und in einem Behälter bis zur endgültigen Beseitigung gespeichert wird, der mittels einer weiteren Leitung 16 an die Destilliervorrichtung 14 angeschlossen ist. Das gereinigte
Flüssigmetall wird über eine weitere Leitung 17
in den Kühlmittelkreislauf zurückgeführt.

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L e e r s e i t e

Claims

24.385.6

We/Lt

06.10.1977

INTERATOM

Internationale Atomreaktorbau GmbH 5060 Bergisch Gladbach 1

Kernenergieanlage mit Einrichtung zur Kühlmittelreinigung

Anspruch

Mit Flüssigmetall kühlbare Kernenergieanlage, bei der die freien Oberflächen des Kühlmittels mit einem inerten Gas atideckbar sind und dieses Gas zur Reinigung durch Metalldampffallen geleitet werden kann, in denen im Gas enthaltene Metalle und andere Aerosole abgeschieden werden, dadurch gekennzeichnet-,

daß eine Destilliervorrichtung für das aus der Metalldampffalle austretende Flüssigmetall vorhanden ist.

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ORIGINAL INSPECTED