DE3222045C2

DE3222045C2 - Kernreaktor mit einer in Abhängigkeit vom Neutronenfluß reagierenden Abschalteinrichtung

Info

Publication number: DE3222045C2
Application number: DE3222045A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr. 5170 Jülich Gerwin; Klaus 5120 Herzogenrath Petersen; Winfried Dr. 5170 Jülich Scherer; Rudolf Prof. 5100 Aachen Schulten; Jasbir Dr. 5170 Jülich Singh
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1982-06-11
Filing date: 1982-06-11
Publication date: 1986-02-06
Also published as: GB2122410A; DE3222045A1; GB2122410B

Abstract

Ein Kernreaktor mit einer in Abhängigkeit vom Neutronenfluß reagierenden, bei oder vor Erreichen eines kritischen Neutronenflusses im Reaktorcore schnell ansprechenden Abschalteinrichtung weist wenigstens ein in das Reaktorcore einbringbares Absorbermedium, beispielsweise Absorberstäbe, -flüssigkeiten oder -gase, sowie eine Steuereinrichtung zur neutronenflußabhängigen Ingangsetzung des Einbringens des Absorbermediums auf, wobei die Steuereinrichtung zumindest ein wärmeempfindliches Stellelement sowie jeweils ein diesem zugeordnetes Heizelement hat. Sofern dieses Heizelement einen neutronenflußabhängig Wärme aufgrund von Kernreaktionen erzeugenden Stoff enthält oder daraus besteht, soll dieser Stoff einen solchen Wirkungsquerschnitt für die Neutronen haben, daß die Neutronenreaktionen nur schichtweise erfolgen. Sofern das Heizelement zumindest einen Spaltstoff enthält, soll der bzw. die Spaltstoff(e) in einer Gleichgewichtsmischung mit zumindest einem Brutstoff enthalten sein. In beiden Fällen wird durch diese Ausbildung die Funktionsfähigkeit der Abschalteinrichtung über sehr lange Zeit erhalten bleiben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor mit einer in Abhängigkeit vom Neutronenfluß reagierenden, bei Erreichen eines bestimmten Neutronenflusses im Reaktorkern ansprechenden Abschalteinrichtung, die einen in den Reaktorkern einbringbaren Neutronenabsorber und eine Steuereinrichtung zur neutronenflußabhängigen Ingangsetzung des Einbringens des Neutronenabsorbers enthält, wobei die Steuereinrichtung ein wärnieempfindliches Stellelement sowie ein diesem zugeordnetes Heizelement aufweist, welches einen neutronenflußabhängig Wärme auf Grund von Kernreaktionen erzeugenden Stoff enthält.

Ein Kernreaktor mit einer derartigen Abschaltleinrichtung ist in der DE-AS 10 83 948 beschrieben. Bei dieser Abschalteinrichtung ist ein gasförmiger Neutronenabsorber innerhalb des Reaktorkerns eingeschlossen. Mittels einer Steuereinrichtung wird bei Erreichen eines bestimmten Neutronenflusses ein Verschluß geöffnet so daß der Neutronenabsorber in eine Lage strö men kann, in der er eine stärkere Wirkung auf den Neutronenfluß ausüben kann. In einem Ausführungsbeispiel strömt der Neutronenabsorber direkt in den Reaktorkern und sorgt so für eine Notabschaltung.

ίο Die Steuereinrichtung besteht bei den in der DE-AS 10 83 948 offenbarten Ausfuhrungsbeispielen im wesentlichen aus einem wärmeempfindlichen Stelle'sment in Form einer Schmelzsicherung und einem meist in unmittelbarer Nachbarschaft angeordnetem Heizele ment Das Heizelement ist mit einem Spaltstoff angerei chert, beispielsweise ²³³U, ²³⁵U oder ²³⁹Pu. Durch den Neutronenfluß im Reaktorkern entstehen in dem Spaltstoff exostherme Kernreaktionen, die das Heizelement auf eine dem jeweiligen Neutronenfluß entsprechende Temperatur erwärmen. Heizelement und Schmelzsicherung sind dabei so aufeinander abgestimmt daß das Heizelement im Normalbetrieb eine Temperatur er zeugt, der die Schmelzsicherung standhält Erst bei Überschreiten eines bestimmten Neutronenflusses steigt die Temperatur auf Grund vermehrter Kernreaktionen im Spaltstoff so an, daß die Schmelzsicherung schmilzt und damit dem Neutronenabsorber ermöglicht, durch Lageveränderung eine verstärkte neutronenabsorbierende Wirkung zu erzielen.

Die vorstehend beschriebene Abschalteinrichtung zeichnet sich wegen ihrer direkten Neutronenflußabhängigkeit durch schnelle Reaktionen aus. Sie besteht nur aus passiven Elementen, so daß ein komplizierter Regelkreis mit aktiven Gliedern nicht erforderlich ist.

Bringt man die bekannte Abschalteinrichtung jedoch im Reaktorkern unter, so führt der hohe Neutronenfluß zu einem schnellen Abbrennen des Spaltstoffes, so daß die Wärmeproduktion des Heizelementes bei konstantem Neutronenfluß nicht über einen längeren Zeitraum konstant bleiben kann. Vielmehr fällt dann die Wärmeproduktion schon nach relativ kurzer Zeit ab, so daß dann ein Ansprechen der Schmelzsicherung erst bei einem Neutronenfluß eintritt, der weit über dem kritischen Wert liegt. Dies hat zur Konsequenz, daß die Abschalteinrichtung schon nach kurzer Zeit praktisch unwirksam wird, ein entsprechender Schutz also nicht mehr gegeben ist. Der Schutz wäre nur durch Auswechseln der in einem Reaktor meistens zahlreich vorhandenen Heizelemente in kurzen Abständen aufrechtzuerhalten, was jedoch zu unwirtschaftlich werden würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abschalteinrichtung der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß deren Funktionsfähigkeit über sehr lange Zeit erhalten bleibt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe einmal dadurch gelöst, daß der wärmeerzeugende Stoff aus Bor-10 besteht und derart in dem Heizelement verteilt ist, daß die Wahrscheinlichkeit für die Spaltung von Bor-10 infolge von Selbstabschirmung während des Reaktorbetriebes konstant bleibt. Hierdurch wird der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke verwirklicht, einen wärmeerzeugenden Stoff zu wählen, dessen effektiver Wirkungsquerschnitt sich zeitlich möglichst wenig ändert. Als besonders geeignet für derartige Neutronenreaktionen

hi hat sich Borkarbid (B4C) erwiesen.

Beim Bor entsteht durch den Neutronenfluß cine ¹⁰B (n/i)⁷Li-Reaktion, deren Wirkungsquerschnitt so hoch ist, daß die wärmeproduzierende Neutronenreaktion

nur in einer dünnen Schicht erfolgt, die sich in das Material nur sehr langsam hineinfrißt. Es reagiert also nicht — wie bei dem bekannten Spaltstoff — das gesamte Material. Vielmehr tritt durch den hohen Wirkungsquerschnitt eine Selbstabschirmung auf, die Reaktionen lediglich innerhalb eines bestimmten Querschnitts zuläßt

Durch die gewählte Selbstabschh mung des Bor bleibt die Reaktionsrate — konstanter Neutronenfluß vorausgesetzt — gleich. Durch entsprechende Dimensionierung läßt sich die zeitliche gleichbleibende Wärmeproduktion über einen sehr langen Zeitraum erhalten, der ohne weiteres der Lebensdauer eines Reaktors entsprechen kann.

Die gestellte Aufgabe wird andererseits erfindungsgemäß auch dadurch gelöst, daß der Stoff aus einer Gleichgewichtsmischung von Spaltstoffen und Brutstoffen besteht. Auch mit dieser Lösung kommt der schon erwähnte Grundgedanke von der zeitlichen Konstanz des effektiven Wirkungsgrades zur Anwendung.

Dem Lösungsvorschlag liegt die Überlegung zugrunde, durch entsprechende Vermischung von Spaltstoffen und Brutstoffen eine Kompensationswirkung zu erzielen. Die Spaltstoffe allein würden nämlich — wie bei der Ausführungsform nach der DE-OS 10 83 948 - in ihrer Wärmeproduktion durch Abbrand schon nach kurzer Zeit stark nachlassen. Erfindungsgemäß wird dies dadurch kompensiert, daß die zugemischten Brutstoffe aufgrund von Neutronenreaktionen Spaltstoffe sozusagen nachproduzieren, die dann durch Neutronenreaktionen wieder zusätzlich Wärme erzeugen. Dabei ist unter Gleichgewichtsmischung zu verstehen, daß das Mischungsverhältnis so eingestellt wird, daß — bei konstantem Neutronenfluß — immer so viel Spaltstoffe aus Brutstoffen entstehen, daß die mit den Neutronen reagierende und damit wärmeerzeugende Spaltstoffmenge im wesentlichen gleich bleibt, und zwar über sehr lange Zeiträume.

Die vorbeschriebene Gleichgewichtsmenge kann dadurch erzielt werden, daß die Spaltstoffe aus den Brutstoffen erbrütet werden und ihr Anteil zur Erzielung der erforderlichen Heizleistung hinreichend hoch ist. Eine solche Gleichgewichtsmischung kann beispielsweise aus ²³⁸U und ²³⁹Pu und/oder aus ²³²Th und -'"U bestehen, wobei die jeweils Erstgenannten die Brutstoffe und die jeweils Zweitgenannten die Spaltstoffe sind. Die Umwandlung der Brutstoffe zu den Spaltstoffen geschieht durch die Reaktionen -'"Th (n, Iß) ²³³U bzw. ²->»U (n, 2ß) ²³⁹Pu.

Alternativ dazu kann vorgesehen sein, die Gleichgewichtsmischung aus ²³⁵U als Spaltstoff und zumindest einem Brutstoff bestehen zu lassen. Als Brutstoff bietet sich hier wieder ²³²Th und/oder ²³⁸U an, die durch die obengenannten Neutronenreaktionen in Spaltstoffe umgewandelt werden, wobei die Umwandlung aufgrund der Gleichgewichtsmischung mit einer solchen Rate vor sich geht, daß die Wärmeproduktion der gesamten Spaltstoffmenge bei konstantem Neutronenfluß über lange Zeit gleich bleibt.

Claims

Patentansprüche:

1. Kernreaktor mit einer in Abhängigkeit vom Neutronenfluß reagierenden, bei Erreichen eines bestimmten Neutronentiusses im Reaktorkern ansprechenden Abschalteinrichtung, die einen in den Reaktorkern einbringbaren Neutronenabsorber und eine Steuereinrichtung zur neutronenflußabhängigen Ingangsetzung des Einbringens des Neutronenabsorbers enthält, wobei die Steuereinrichtung ein wärnieempfindliches Stellelement sowie ein diesem zugeordnetes Heizelement aufweist, welches einen neutronenflußabhängig Wärme auf Grund von Kernreaktionen erzeugenden Stoff enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeerzeugende Stoff aus Bor-10 besteht und derart in dem Heizelement verteilt ist, daß die Wahrscheinlichkeit für die Spaltung von Bor-10 infolge von Selbstabschirmung während des Reaktorbetriebes konstant bleibt.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bor-10 als Borkarbid (B₄C) vorliegt

3. Kernreaktor mit einer in Abhkängigkeit vom Neutronfluß reagierenden, bei Erreichen eines bestimmten Neutronenflusses im Reaktorkern ansprechenden Abschalteinrichtung, die einen in den Reaktorkern einbringbaren Neutronenabsorber und eine Steuereinrichtung zur neutronenflußabhängigen Ingangsetzung des Einbringens des Neutronenabsorbers enthält, wobei die Steuereinrichtung ein wärmeempfindliches Stellelement sowie ein diesem zugeordnetes Heizelement aufweist, welches einen neutronenflußabhängig Wärme auf Grund von Kernreaktionen erzeugenden Stoff enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff aus einer Gleichgewichtsmischung von Spaltstoffen und Brutstoffen besteht.

4. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichgewichtsmischung aus ²³⁸U und ²³⁹Pu besteht.

5. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichgewichtsmischung aus ²³²Th und ²³³U besteht.

6. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichgewichtsmischung aus ²³⁵U und zumindest einem Brutstoff besteht.

7. Kernreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Brutstoff ²³²Th und/oder ²³⁸U ist.