DE69632070T2

DE69632070T2 - Spalt-brut-kernreaktor

Info

Publication number: DE69632070T2
Application number: DE69632070T
Authority: DE
Inventors: Alvin Radkowsky
Original assignee: Thorium Power Inc
Current assignee: Thorium Power Inc
Priority date: 1994-08-16
Filing date: 1996-08-14
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2016-08-15
Also published as: US5737375A; EP0871958A4; US6026136A; WO1997008711A2; JP3147907B2; AU6722296A; CA2229064C; ES2219693T3; BR9610204A; EP0871958A2; US5864593A; RU2222837C2; EP1154440A1; US5949837A; CA2229064A1; RU2176826C2; EP0871958B1; CN1192820A; DE69632070D1; WO1997008711A3

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Leichtwasserkernreaktorauslegungen, die Thorium als einen Brennstoff benutzen. Die Reaktoren können mit Thorium, nicht waffenfähigem angereicherten Uran, waffenfähigem Plutonium oder reaktorfähigem Plutonium brennen.
Hintergrund der Technik
Kernkraft ist weiterhin eine bedeutende Energieressource überall in der Welt. Viele Länder ohne ausreichende einheimische fossile Brennstoffressourcen stützen sich sehr auf Kernkraft für die Erzeugung von Elektrizität. In vielen weiteren Ländern wird Kernenergie als ein wettbewerbsfähiger Elektrizitätserzeuger verwendet, der ebenfalls ihre Energiemischung diversifiziert. Ferner liefert Kernkraft ebenfalls einen bedeutenden Beitrag für die Aufgaben des Steuerns der Verschmutzung durch fossilen Brennstoff (z.B. saurer Regen, globale Erwärmung), und Erhaltung von fossilen Brennstoffen für zukünftige Generationen. Hinsichtlich Zahlen liefert die Kernkraft ungefähr 11% der Elektrizität der Welt. Am Ende von 1994 gab es 424 Kernkraftwerke in 37 Ländern. Kraftwerke im Bau werden diese Anzahl auf ungefähr 500 Kraftwerken am Ende der Dekade bringen.
Obwohl Sicherheit sicherlich eine bedeutende Angelegenheit bei der Auslegung und dem Betrieb von Kernreaktoren ist, ist eine weitere bedeutende Angelegenheit die Bedrohung durch Proliferation bzw. Weiterverbreitung von Stoffen, die bei Kernwaffen verwendet werden könnten. Dies ist von besonderer Bedeutung in Ländern mit instabilen Regierungen, die bei Besitz von Kernwaffen eine bedeutende Bedrohung der Weltsicherheit darstellen könnten. Kernkraft muss daher auf eine Art und Weise ausgelegt und verwendet werden, die keine Weiterverbreitung von Kernwaffen und dem resultierenden Risiko ihrer Verwendung verursacht.
Ungünstigerweise erzeugen alle gegenwärtigen Kernkraftreaktoren große Menge dessen, was als reaktorfähiges Plutonium bekannt ist. Beispielsweise erzeugt ein typischer 1000 MWe Reaktor reaktorfähiges Plutonium von der Größenordnung von 200 bis 300 kg pro Jahr. Es ist nicht schwierig, dieses entladene reaktorfähige Plutonium in waffenfähiges Plutonium aufzuarbeiten, und nur ungefähr 7,5 kg von reaktorfähigem Plutonium ist erforderlich, um eine Kernwaffe herzustellen. Dem gemäß ist der von den Kernen herkömmlicher Reaktoren entladene Brennstoff hochproliferativ, und Sicherheitsmaßnahmen sind erforderlich, um sicherzustellen, dass der entladene Brennstoff nicht in den Besitz von unautorisierten Personen kommt. Ein ähnliches Sicherheitsproblem existiert mit den riesigen Vorratshalden von waffenfähigem Plutonium, die erzeugt wurden, als die USA und die Länder der früheren UdSSR ihre Kernwaffen abbauten.
Weitere mit dem Betrieb herkömmlicher Kernreaktoren verbundene Probleme betreffen die dauerhafte Entsorgung von langfristigen radioaktiven Abfallprodukten, sowie auch der sich schnell verringernde weltweite Vorrat von natürlichem Uranerz. Hinsichtlich des vorhergehenden sind Depotplätze in Regierungsbesitz faktisch nicht existierend, und das in den Vereinigten Staaten gelegene Yucca-Flats-Projekt wurde nun vom Kongress verzögert. Hinsichtlich des letzteren werden bedeutenden Probleme mit der Versorgung von natürlichen Uranerz innerhalb der nächsten 50 Jahr erwartet.
Als Ergebnis der vorhergehenden Probleme wurde ein Versuch in der Vergangenheit durchgeführt, Kernreaktoren aufzubauen, die mit relativ kleinen Mengen von nichtproliferativem angereicherten Uran (angereichertem Uran mit einem U-235-Gehalt von 20% oder weniger) arbeiten und keine wesentlichen Mengen von proliferativen Stoffen, wie beispielsweise Plutonium, erzeugen. Beispiele derartiger Reaktoren werden in meinen beiden vorhergehenden internationalen Anmeldungen Nr. PCT/US84/0167, veröffentlicht am 25. April 1985 gemäß internationaler Veröffentlichungsnummer WO85/01826, und PCT/US93/01037, veröffentlicht am 19. August 1993 gemäß der internationalen Veröffentlichungsnummer WO93/06477, offenbart. Die Anmeldungen '826 und '477 offenbaren beide Seed-Blanket-Reaktoren, die einen wesentlichen Prozentsatz ihrer Leistung aus Thorium-Blankets beziehen. Die Blankets umgeben einen ringförmigen Seed-Abschnitt, der Brennstäbe aus nichtproliferativem angereicherten Uran enthält. Das Uran in den Seed-Brennstäben gibt Neutronen frei, die von dem Thorium in den Blankets eingefangen werden, wodurch spaltbares U-233 erzeugt wird, das an Ort und Stelle verbrennt und Wärme zum Antreiben des Reaktors erzeugt.
Die Verwendung von Thorium als ein Kernreaktorbrennstoff auf die vorhergehende Art und Weise ist attraktiv, da Thorium erheblich häufiger in der Welt als Uran vorhanden ist. Außerdem beanspruchten beide der in den Anmeldungen '826 und '477 offenbarten Reaktoren nicht-proliferativ in dem Sinne zu sein, dass weder die Brennstoffanfangsbeladung noch der am dem Ende jedes Brennstoffzyklus entladene Brennstoff zur Verwendung bei der Herstellung von Kernwaffen geeignet ist. Dies wird durch Benutzen von lediglich nicht-proliferativem angereicherten Uran als Seed-Brennstoff, Auswählen von Moderator/Brennstoffvolumenverhältnissen, die Plutoniumerzeugung minimieren, und Hinzufügen einer kleinen Menge von nicht-proliferativem angereicherten Uran zu dem Blanket erreicht, dessen U-238-Komponente sich gleichmäßig mit dem Rest-U-233 an dem Ende des Blanket-Zyklus mischt und das U-233 "denaturiert", wodurch es für die Herstellung von Kernwaffen nutzlos gemacht wird.
Ungünstigerweise hat der Anmelder durch kontinuierliche Forschung entdeckt, dass keiner der in den oben erwähnten internationalen Anmeldungen offenbarten Reaktorauslegungen wirklich nicht-proliferativ ist. Insbesondere wurde nun entdeckt, dass beide dieser Auslegungen zu einer höheren als minimalen Produktion von proliferativem Plutonium in dem Seed aufgrund der ringförmigen Seed-Anordnung führen. Die Verwendung des ringförmigen Seed mit sowohl einem inneren zentralen Blanket-Abschnitt und einem äußeren umgebenen Blanket-Abschnitt kann nicht-proliferativ gemacht werden, da der dünne ringförmige Seed eine entsprechend kleine "optische Dicke" aufweist, die veranlasst, dass das Seed-Spektrum durch das viel härtere Spektrum der inneren und äußeren Blanket-Abschnitte dominiert wird. Dies führt zu einem größeren Bruchteil von epithermischen Neutronen und einer höheren als minimalen Produktion von nicht-proliferativem Plutonium in dem Seed.
Beide dieser vorhergehenden Reaktorauslegungen sind ebenfalls von einem Betriebsparameterstandpunkt nicht optimiert. Beispielsweise sind die Moderator/Brennstoffvolumenverhältnisse in den Seed- und Blanket-Regionen besonders kritisch, um Plutoniumproduktion in dem Seed zu minimieren, ausreichende Wärmeabfuhr von den Seed-Brennstoffen zu ermöglichen und eine optimale Umwandlung von Thorium in U-233 in dem Blanket zu gewährleisten. Weitere Forschung gibt an, dass die in diesen internationalen Anmeldungen offenbarten bevorzugten Moderator/Brennstoffverhältnisse in den Seed-Regionen zu hoch und in den Blanket-Regionen zu niedrig waren.
Die vorherigen Reaktorkernauslegungen waren ebenfalls nicht besonders wirksam beim Konsumieren des nichtproliferativem angereicherten Urans in den Seed-Brennelementen. Als Ergebnis enthielten die am Ende jedes Seed-Brennstoffzyklus entladenen Brennstäbe soviel Resturan, das sie zur erneuten Verwendung in einem anderen Reaktorkern wieder aufbereitet werden mussten.
Der in der Anmeldung '477 offenbarte Reaktor erfordert ebenfalls eine komplexe mechanische Reaktorsteueranordnung, die ihn zur Nachrüstung in einen herkömmlichen Reaktorkern ungeeignet macht. Auf ähnliche Weise kann der in der Anmeldung '826 offenbarte Reaktor ebenfalls nicht ohne weiteres in einen herkömmlichen Kern nachgerüstet werden, da seine Auslegungsparameter nicht mit den Parametern eines herkömmlichen Kerns kompatibel sind.
Schließlich wurden beide der vorhergehenden Reaktorauslegungen spezifisch ausgelegt, um nichtproliferatives angereichertes Uran mit dem Thorium zu verbrennen, und sind nicht zum Konsumieren von großen Mengen von Plutonium geeignet. Somit liefert keine dieser Auslegungen eine Lösung zu dem Problem des auf Vorrat angelegten Plutoniums.
Transactions of the American Nuclear Society, USA, 1995; Band 72, Seiten 385 bis 386; Radkowsky u.a. schlägt eine nicht-proliferative Spaltreaktorauslegung mit Seed-Blanket-Einheiten mit einem Seed-Region-Moderator/Brennstoffvolumenverhältnis von 3,49 und einem Blanket-Region-Moderator/Brennstoffvolumenverhältnis von 1,68 vor. Das Dokument liefert jedoch keine ermöglichende Offenbarung von Seed-Blanket-Einheitsparametern, die wesentlich sind, um einen Reaktor bereitzustellen, bei dem die zentralen Seed-Regionen in einem überkritischen Zustand während die Blanket-Seed-Regionen in einem unterkritischen Zustand arbeiten.
Offenbarung der Erfindung
Mit Blick auf das vorhergehende ist es eine Aufgabe der Erfindung, verbesserte Seed-Blanket-Reaktoren bereitzustellen, die einen optimalen Betrieb von sowohl einen wirtschaftlichen als auch nicht-proliferativen Standpunkt bereitstellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, Seed-Blanket-Reaktoren bereitzustellen, die ohne weiteres in herkömmliche Reaktorkerne nachgerüstet werden können.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Seed-Blanket-Reaktor bereitzustellen, der benutzt werden kann, um große Mengen von Plutonium mit Thorium zu konsumieren, ohne proliferative Abfallprodukte zu erzeugen.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Seed-Blanket-Reaktoren bereitzustellen, die erheblich verringerte Mengen von hochgradigen radioaktiven Abfällen erzeugen, was zu einer bedeutenden Verringerung in dem langfristigen Abfalllagerplatzanforderungen führt.
Die vorhergehenden und weitere Aufgaben der Erfindung werden durch Bereitstellung von verbesserten Seed-Blanket-Reaktoren gelöst, die Thoriumbrennstoff in Kombination mit entweder Uran- oder Plutoniumbrennstoff verwenden. Die erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfasst eine verbesserte Version des in der Anmeldung '477 offenbarten nicht-proliferativen Reaktors. Durch die Verwendung von spezifischen Moderator-zu-Brennstoffverhältnissen und eines neuartigen Nachladeplans erreicht diese Ausführungsform der Erfindung einen Brennstoffabbrand mit einem Wirkungsgrad, der bis jetzt unmöglich war, in allen bekannten Reaktoren, und erzeugt nur Kernabfälle, die für die Bildung von Kernwaffen ungeeignet sind. Eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist spezifisch zum Konsumieren von großen Mengen von sowohl reaktorfähigem Entladeplutonium als auch waffenfähigem Plutonium auf eine schnelle wirksame Art und Weise ausgelegt. Der dadurch erzeugte Abfallstoff kann nicht zum Bilden von Kernwaffen verwendet werden.
Die erste Ausführungsform der Erfindung ist als der nicht-proliferative Leichtwasser-Thoriumreaktor bekannt, und wird so genannt, da weder sein Brennstoff noch seine Abfallprodukte zum Bilden von Kernwaffen benutzt werden können. Der Kern des nicht-proliferativen Reaktors ist aus einer Mehrzahl von Seed-Blanket-Einheiten (SBUs = Seed-Blanket Units) aufgebaut, von denen jede eine zentral angeordnete Seed-Region und eine umgebene ringförmige Blanket-Region aufweist. Die SBUs sind spezifisch ausgelegt, um ohne weiteres anstatt von Brennelementen eines herkömmlichen Reaktorkerns nachgerüstet zu werden.
Die Seed-Regionen in den SBUs weisen einen Multiplikationsfaktor größer als 1 auf und enthalten Seed-Brennelemente von angereichertem Uran mit einem Verhältnis von U-235 zu U-238 gleich oder kleiner als 20°s U-235 zu 80 U-238, wobei dies das maximale Verhältnis ist, das als nichtproliferativ angesehen wird. Das angereicherte Uran ist vorzugsweise in der Form von Stäben und/oder Platten, die aus Uran-Zirkonlegierung (Uran-Zircaloy) oder Cermet-Brennstoff (in einer Zirkonlegierungsmatrix eingebettete Uranoxidteilchen) aufgebaut sind.
Die Blanket-Regionen weisen einen Multiplikationsfaktor kleiner als 1 auf und enthalten Blanket-Brennelemente, die im wesentlichen Th-232 mit einem kleinen Prozentsatz von angereichertem Uran (erneut bis zu 20% U-235 angereichert) enthalten, um dem Seed zu helfen, Reaktorleistung während der Anfangsstadien des Betriebs bereitzustellen, wenn das Thorium nicht imstande ist, selber Leistung bereitzustellen. Durch Hinzufügen von angereicherten Uran zu dem Blanket kann der Blanket ungefähr den gleichen Bruchteil von Leistung beim Hochfahren erzeugen, wie er später erzeugt wird, wenn eine große Anzahl von durch die Seed-Brennelemente freigegebenen Neutronen von den Thoriumbrennelementen in dem Blanket absorbiert wurden. Diese Absorption erzeugt spaltbares U-233, das an Ort und Stelle verbrannt wird, und liefert Leistung von dem Blanket, sobald der Reaktor hochgefahren ist und läuft.
Das 20% angereicherte Uranoxid in dem Blanket dient ebenfalls dazu, jedes in dem Blanket am Ende seiner Lebensdauer zurückgebliebenes Rest-U-233 zu denaturieren, indem das U-233 mit nicht-spaltbaren Uranisotopen einschließlich U-232, U-234, U-236 und U-238 gemischt wird. Dieses Denaturieren ist bedeutsam, da es nahezu unmöglich ist, das Rest-U-233 von den nicht-spaltbaren Isotopen zu trennen, womit das Rest-U-233 zur Verwendung bei der Bildung von Kernwaffen ungeeignet gemacht wird.
Ein Leichtwassermoderator wird sowohl bei den Seed- als auch den Blanket-Regionen jeder SBU benutzt, um die Reaktivität zu steuern. Im Gegensatz zu herkömmlichen Urankernen wird Bor nicht in dem Wassermoderator während des Leistungsbetriebs aufgelöst, da dies den Multiplikationsfaktor des Blanket unzulässig absenken würde, was zu einer drastisch niedrigen Blanket-Leistungsbruchteil führen würde.
Die Volumenverhältnisse des Wassermoderators zu Brennstoff in jeder Region sind kritisch. In der Seed-Region muss, um sicherzustellen, dass der Reaktor keine ausreichenden Mengen von Plutoniumabfall erzeugen wird, um als proliferativ angesehen zu werden, das Moderator/Brennstoffverhältnis so hoch wie möglich sein, um die Neutronen in dem Seed abzubremsen und die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass sie von dem Uran 238 in dem Seed absorbiert werden, wodurch Plutonium erzeugt wird. Das Moderatorvolumen in dem Seed zu erhöhen, impliziert natürlicher ungünstigerweise, dass das Brennstoffvolumen entsprechend verringert werden muss, und dies erhöht die Leistungsdichte, die, wenn sie zu weit erhöht wird, zuviel Wärme erzeugen wird. Diese beiden Faktoren müssen daher berücksichtigt werden, um das optimale Moderator/Brennstoffverhältnis in der Seed-Region zu bestimmen. Die Verwendung von Uran/Zirkonlegierung für den Seed-Brennstoff ermöglicht ein höheres Moderator/Brennstoffverhältnis aufgrund ihrer höheren thermischen Leitfähigkeit verglichen mit derjenigen von Oxidbrennstoff. Mit diesen Arten von Brennelementen sollte das Moderator/Brennstoffverhältnis in der Seed-Region zwischen 2,5 und 3,18 liegen. Ein weiterer Vorteil der Verwendung des hohen Moderator/Brennstoffverhältnisses in dem Seed besteht darin, dass es zu einer wesentlichen Verringerung in der Erzeugung von hochgradig radioaktiven Abfällen, insbesondere transuranischen Aktiniden führt. Dies führt, kombiniert mit der Tatsache, dass die Blanket-Brennstäbe in dem Kern für ungefähr 10 Jahre verbleiben, zu einer wesentlichen Verringerung in langfristigen Abfalllagerplatzanforderungen.
Das Moderator/Brennstoffvolumenverhältnis in der Blanket-Region sollte erheblich niedriger als dasjenige in der Seed-Region sein, da es wünschenswert ist, dass der Thoriumbrennstoff in dem Blanket so viele Neutronen wie möglich absorbiert. Diese sind notwendig, um das Thorium in spaltbares U-233 umzuwandeln, das an Ort und Stelle verbrannt wird und einen wesentlichen Anteil der Reaktorleistung liefert. Forschung hat festgelegt, dass das optimale Moderator/Brennstoffvolumenverhältnis in der Blanket-Region in dem Bereich von ungefähr 1,5 bis 2,0 liegen und vorzugsweise ungefähr 1,7 betragen sollte. Wenn das Verhältnis höher als 2,0 ist, werden zu viele thermische Neutronen durch das Wasser absorbiert, während, wenn das Verhältnis unter 1,5 ist, zuviel Proaktinium in der Blanket-Region gebildet werden, das ebenfalls die Bildung von U-233 stören wird.
Ein einmaliger Brennstoffzyklus wird bei der ersten bevorzugten Ausführungsform benutzt, der die Notwendigkeit zur Wiederaufbereitung von abgereicherten Brennelementen zur zukünftigen Verwendung beseitigt. Außerdem wird ein neuartiger Nachladeplan benutzt, der die Brennstoffausnutzung in sowohl den Seed- als auch Blanket-Regionen maximiert und die Wahrscheinlichkeit weiter verringert, dass in den abgereicherten Brennelementen verbleibender Brennstoff wiederaufbereitet und bei der Herstellung von Nuklearwaffen verwendet werden kann. Bei diesem Nachladeplan werden die zweiten Seed-Brennelemente in einer gestaffelten Art und Weise ausgetauscht, bei der ein Anteil, vorzugsweise 1/3, der gesamten Seed-Brennelemente am Ende jedes Brennstoffzyklus ausgetauscht wird, und jedes Brennelement bleibt in dem Kern für mehr als ein, vorzugsweise drei Brennstoffzyklen. Jeder Brennstoffzyklus hat eine Länge von ungefähr 13 Monaten. Die Blanket-Brennelemente können, da sie vorwiegend aus Thorium aufgebaut sind, in dem Kern für bis zu 9 Brennstoffzyklen oder etwa 10 Jahre verbleiben. Ein Umsetzen der SUBs in dem Kern wird jedoch am Ende jedes Brennstoffzyklus durchgeführt, um die Leistungsverteilung überall im Kern zu verbessern.
Dieser Nachladeplan ermöglicht, dass die angereicherten Uran-Seed-Brennstäbe auf weniger als 20°s ihres ursprünglichen U-235-Gehalts abgereichert werden. Außerdem erhöht die lange Standzeit im Kern der Seed-Brennelemente die Erzeugung von Pu-238 in einem solchen Ausmaß, dass es die relativ kleine Menge von PU-239 denaturiert, die von den Seed-Brennelementen erzeugt wird. Als Ergebnis werden die angereicherten Seed-Brennelemente effektiv für die Bildung von Nuklearwaffen nutzlos gemacht.
Die zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet die gleiche grundlegende Seed-Blanket-Kernanordnung wie die erste bevorzugte Ausführungsform mit einer Mehrzahl von SBUs, die in einen herkömmlichen Reaktorkern nachgerüstet werden können. Diese Ausführungsform der Erfindung ist jedoch spezifisch zum Konsumieren von sehr großen Mengen von Plutonium, entweder waffenfähigem oder aus Reaktoren entladenem, mit dem Thorium in dem Blanket ausgelegt. Somit wird das Thoriumoxid mit Plutonium in den Blanket-Brennstäben gemischt, während die Seed-Brennstäbe vorwiegend aus Plutonium-Zirkonlegierung gebildet werden. Im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform, dessen Aufgabe darin besteht, die von dem Thorium in dem Blanket erzeugte Leistungsmenge zu maximieren, besteht die Aufgabe der zweiten Ausführungsform darin, den Verbrauch von Plutonium ohne Erzeugen von großen Mengen von neuem Plutonium, wie es typischerweise bei einem herkömmlichen Reaktor stattfindet, zu maximieren.
Die Plutonium-Incinerator-Ausführungsform benutzt ebenfalls ein hohes Wassermoderator/Brennstoffvolumenverhältnis, vorzugsweise zwischen ungefähr 2,5 und 3,5. Der Grund für das hohe Verhältnis ist jedoch von dem für die erste Ausführungsform unterschiedlich. Insbesondere liefert das hohe Wasser-zu-Brennstoffvolumenverhältnis ein sehr thermisches Spektrum in den Seed-Regionen. Dies vereinfacht die Kernsteuerung, da die ganze Steuerung in den Seed-Regionen konzentriert ist, und die Steuerung dadurch ohne chemische Steuerung mit Bor oder erhöhter Verwendung von Steuerstäben ausgeführt werden kann.
In der Blanket-Region besteht der einzige bemerkenswerte Unterschied bei der Plutonium-Incinerator-Ausführungsform darin, dass das Thoriumoxid in den Blanket-Brennstäben mit einem kleinen Prozentanteil von Plutoniumoxid gemischt wird, um während des anfänglichen Reaktorbetriebs zu helfen. Außerdem ist sehr bedeutsam, dass ungefähr 2 bis 5 Volumen-% von Uranrückständen (natürliches Uran, dessen U-235-Gehalt auf ungefähr 0,2% verringert wurde) zu dem Blanket-Brennstäben hinzugefügt werden. Diese Rückstände dienen dazu, das U-233 zu denaturieren (es zur Verwendung bei der Herstellung von Nuklearwaffen nutzlos zu machen), das in dem Blanket während des Reaktorbetriebs gebildet wird. Das Moderator/Brennstoffverhältnis in der Blanket-Region beträgt vorzugsweise zwischen ungefähr 1,5 bis 2,0, um neutronische und thermal-hydraulische Beschränkungen zu erfüllen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung einer Anzahl von bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich, in denen zeigen:
1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Kernreaktorkerns, der in Übereinstimmung mit einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist, die als der nicht-proliferative Leichtwasser-Thoriumreaktor bezeichnet wird;
2 eine ausführliche Querschnittsdarstellung einer Darstellung einer Seed-Blanket-Brennelementeinheit (SBUs), die bei der ersten Ausführungsform benutzt wird;
3 eine Teilquerschnittsdarstellung einer SBU, die modifiziert ist, um brennbare Absorberstäbe zur Reaktorsteuerung zu umfassen;
4 eine graphische Darstellung, die das Reaktivitätsniveau als eine Funktion von Vollasttagen für die ersten Seed-Brennstoffzyklus einer Anzahl von Variationen der in 3 dargestellten modifizierten SBU darstellt;
5.1 bis 5.9 Brennstoffladepläne, die jedem der neun unterschiedlichen Seed-Brennstoffzyklen entsprechen, die während des Betriebs des in 1 dargestellten Reaktorkerns benutzt werden;
6 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Reaktorkerns, der in Übereinstimmung mit einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist, die als der Plutonium-Incinerator bekannt ist;
7 eine ausführliche Querschnittsdarstellung einer bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform benutzten SBU; und
8 ein Kernschema, der die Nachladekonfiguration und akkumulierten Abbrand für die zweite bevorzugte Ausführungsform darstellt.
Beste Ausführungsform der Erfindung
A. Der nicht-proliferative Leichtwasser-Thorium-Kernreaktor
Bei einer ausführlichen Würdigung der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die als der nichtproliferative Leichtwasser-Thorium-Kernreaktor bezeichnet wird, stellt 1 einen Kernreaktorkern 10 dar, der aus einer Mehrzahl von Brennelementen 12 aufgebaut ist, die als Seed-Blanket-Einheiten (SBUs) bekannt sind, die in einer allgemein hexagonalen Konfiguration angeordnet und selbst im Querschnitt hexagonal sind. Der Kern 10 weist die gleiche geometrische Konfiguration und die gleichen Abmessungen wie ein herkömmlicher russischer Leichtwasserreaktor auf, der als der WER-1000 bekannt ist, sodass er ohne weiteres in einen WER-1000 nachgerüstet werden kann, und wird aus 163 der SBU-Brennelementen 12 gebildet. Die Differenz zwischen dem Kern 10 und dem WER-1000-Reaktorkern liegt in der Zusammensetzung der SBUs 12, wie es ausführlicher nachstehend erläutert wird. Es ist ersichtlich, dass die Form und die Anordnung des Kerns 10 und der SBUs nach Bedarf modifiziert werden kann, um die Nachrüstung in eine beliebige Art eines herkömmlichen Leichtwasser-Druckwasserreaktors (Leichtwasser-DWRs) zu ermöglichen. Beispielsweise benutzen herkömmliche DWRs in den Vereinigten Staaten und anderen Ländern Brennelemente mit quadratischen Querschnitten, und die SBUs 12 würden ebenfalls quadratische Querschnitte aufweisen, wenn sie ausgelegt wären, um in einen derartigen DWR nachgerüstet zu werden.
Den Kern 10 umgibt ein Reflektor 14, der vorzugsweise aus einer Mehrzahl von Reflektorelementen 16 aufgebaut ist, wie es in 1 und 5.1 bis 5.9 dargestellt ist. Jedes der Reflektorelemente 16 enthält vorzugsweise eine Mischung aus Wasser und Kerngefäß/Druckbehältermetall. Alternativ könnte jedes der Reflektorelemente 16 ebenfalls vorwiegend aus Plutoniumoxid gebildet sein.
2 veranschaulicht die Zusammensetzung jedes der SBU-Brennelemente 12. Jedes der SBU 12 umfasst eine zentral angeordnete Seed-Region 18 und eine ringförmige Blanket-Region 20, die die Seed-Region 18 umgibt. Die Seed-Region 18 ist aus einer Mehrzahl von Seed-Brennstäben 22 aufgebaut, die vorzugsweise aus Uran-Zirkonlegierung gebildet sind, die U-235/U-238 enthält, das anfangs auf etwa 20% U-235 angereichert wurde, was die maximale Anreicherung ist, die als nicht-proliferativ angesehen wird, d.h, für die Herstellung von Kernwaffen ungeeignet ist. Während es nicht notwendig ist, die U-235 Anfangsanreicherung auf 20% zu maximieren, ist es vorzuziehen, diesen Anreicherungsgrad zu benutzen, um die Plutoniumherstellung in dem Seed während des Reaktorbetriebs zu minimieren. Alternativ können die Brennstäbe 22 aus Cermet-Brennstoff mit Uranoxidteilchen, die in einer Zirkonlegierungsmatrix eingebettet sind, hergestellt werden. Die Verwendung von Zirkonlegierung (Zircaloy) in den Seed-Brennstäben 22 ist gegenüber oxidartigen Brennstoff bevorzugt, da der Zirkonlegierungsbrennstoff eine viel höhere thermische Leitfähigkeit aufweist. Wie es ausführlicher nachstehend erläutert wird, ist dies bedeutsam, da es den Platzbedarf verringert, der bei der SBU 12 zur Wärmeentfernung benötigt wird, und dadurch den Platzbedarf erhöht, der für den Wassermoderator verfügbar ist. Die Seed-Region 18 enthält ebenfalls eine Mehrzahl von Wasserrohren 24 zur Aufnahme von Wassermoderator (oder herkömmliche brennbare Absorberstäben und/oder Steuerstäbe, wie es ausführlicher nachstehend erläutert ist), um die Reaktivität in der Seed-Region 18 zu steuern.
Die Blanket-Region 20 enthält eine Mehrzahl von Blanket-Brennstäben 26, die vorzugsweise aus gemischten Thorium-Uranoxid gebildet sind. Das Uranoxidvolumenanfangsgehalt in der Thorium-Uranmischung liegt vorzugsweise in dem Bereich von ungefähr 2 bis 10% und wird benutzt, um der Blanket-Region 20 beim Hochfahren zu helfen, bevor das Thorium eine Chance hatte, Neutronen von dem Seed zu absorbieren und den eigenen spaltbaren Brennstoff U-233 des Blanket zu erzeugen. Wie bei den Seed-Brennstäben 22 ist das in den Blanket-Brennstäben 24 enthaltene Uranoxid vorzugsweise U-235/U-238, das anfangs so hoch wie das maximale nicht-proliferative Verhältnis von 20 : 80 angereichert ist.
Der Seed-Blanket-Kern 10 arbeitet in Übereinstimmung mit der folgenden vereinfachten Gleichung für die Leistungsteilung zwischen dem Seed 18 und dem Blanket 20: Pb/Ps = ∊ (Kb/(1–Kb))(Ks–1)/Ks
Bei der vorhergehenden Gleichung sind K_s und K_b die Multiplikationsfaktoren des Seed bzw. Blanket, P_s und P_b, sind die Leistungen, die in dem Seed bzw. Blanket erzeugt wurden, während ∊ der "schnelle Effekt" ist, der geringfügig über 1 liegt. Der Seed-Multiplikationsfaktor K_s ist größer als 1, und der Blanket-Multiplikationsfaktor K_b, ist kleiner als 1. Somit ist der Blanket unterkritisch, und der Seed wirkt als eine Quelle von Neutronen für den Blanket.
Um die aus Thorium erzeugte Energiemenge zu maximieren, ist es notwendig, den Bruchteil der in dem Blanket 20 erzeugten Kernleistung so hoch wie möglich zu machen. Dies wird dadurch erreicht, indem K_b so hoch wie möglich gemacht wird, und es wurde bestimmt, dass K_b so hoch wie 1,7 sein kann, während K_b zwischen ungefähr 0,85 und 1 ausgewählt wird.
Die Anzahl der durch U-238 in dem Seed 18 absorbierten Neutronen muss minimiert sein. Die meisten der in U-238 absorbierten Neutronen liegen in der sogenannten Resonanzenergieregion, die durch eng beabstandete Energieintervalle von extrem hoher Absorption gekennzeichnet ist. Andererseits finden die meisten Spaltungen in U-235 bei niedrigeren Energien in der thermischen Region statt, wo die durchschnittlichen Neutronenenergie nahezu im Gleichgewicht mit der Umgebungstemperatur des Leichtwassermoderators ist. Indem der Wassergehalt des Seed 18 so hoch wie möglich gemacht wird, nimmt die Anzahl von Neutronen in der Resonanzregion ab und somit werden weniger Neutronen von dem U-238 eingefangen.
Die Abnahme von U-238 Einfängen erzeugt zwei günstige Wirkungen. Zuerst wird der Multiplikationsfaktor des Seed K_s angehoben, wodurch der Bruchteil der in dem Blanket erzeugten Kernleistung erhöht wird, wie oben erläutert, und zweitens wird die Bildung von Plutonium minimiert, da es die U-238-Neutroneneinfänge sind, die das Plutonium bilden.
Die Wassermenge, die in der Seed-Region 18 platziert werden kann, wird durch die Notwendigkeit begrenzt, genug Platz für die Brennstäbe 22 aufzuweisen, um eine ausreichende Wärmeabfuhr von diesen zu ermöglichen. Das Volumen und die Oberfläche der Brennstäbe dürfen daher so weit verringert werden, dass die Leistungsdichte in dem Kern über Betriebgrenzen ansteigt, die durch das Kühlsystem des Reaktors diktiert werden. Durch Fertigen der Seed-Brennelemente 22 aus Uran/Zirkonlegierung, die eine viel höhere thermische Leitfähigkeit aufweist, als es Oxidbrennstoff tut, kann das Wassermoderator/Brennstoffvolumenverhältnis in dem Seed 18 so hoch wie 4 oder 5 zu 1 verglichen mit weniger als 2 zu 1 bei einem herkömmlichen Urankern ausgeführt werden. Das Wassermoderator/Brennstoffverhältnis in dem Seed 18 sollte daher zwischen ungefähr 2,5 und 3,18 ausgewählt werden.
Ein weiterer Vorteil des hohen Moderator/Brennstoffvolumenverhältnisses in dem Seed 18 besteht darin, dass es die Menge von in dem Seed 18 erzeugten hochgradigen radioaktiven Abfall wesentlich verringert. Insbesondere werden, da das Seed-Spektrum aufgrund des großen Wasseranteils sehr thermisch ist, sehr wenige transuranische oder Nebenaktinide erzeugt werden. Es sind jene Aktinide, mit Halbwertszeiten von Millionen von Jahren, die eine sehr langfristige Lagerung in Untergrundlagerstätten erfordern. Die 10-jährige Blanket-Lebensdauer gekoppelt mit der verringerten Aktinid-Produktion aus dem nicht-proliferativem Kern 10 erzeugt daher weniger radioaktive Abfallstoffe und. ebenfalls weniger langfristige Wärmeerzeugung. Dies führt zu Untergrundlagerstättenplatzanforderungen, die erheblich verringert sind. Außerdem wird geringgradiger Abfall ebenfalls etwas verringert, da keine Borsäure in dem Wassermoderator für Normalbetrieb aufgelöst und somit kein Tritium in dem Kern erzeugt wird. Es sei bemerkt, dass der Grund, dass Borsäure in dem Wassermoderator nicht benutzt wird, darin besteht, dass sie den Multiplikationsfaktor in der Blanket-Region 20 unzulässig absenken würde.
Das Moderator/Brennstoffverhältnis in der Blanket-Region 20 ist ebenfalls ein sehr bedeutender Parameter, wobei er jedoch durch unterschiedliche Beschränkungen geregelt wird. Insbesondere ist die Situation in dem Blanket 20 komplexer, da zuviel Wasser K_b durch Absorbieren von zu vielen Neutronen verringert, die von den Seed-Brennelementen kommen, und sie dadurch von dem Thorium wegnimmt. Andererseits erhöht zu wenig Wasser in dem Blanket den Verlust zu Proaktinium. Wenn Thorium ein Neutron absorbiert, bildet es Proaktinium, das nach einer Halbwertszeit von 27,4 Tagen in spaltbares U-233 zerfällt. Während dieses Intervalls ist Proaktinium dafür anfällig, ein Neutron zu absorbieren und dadurch nichtspaltbares U-234 zu bilden. Dieses ist ein doppelter Verlust sowohl eines Neutrons als auch eines zukünftigen U-233-Kerns. Forschung gibt an, dass, um diesen Verlust zu minimieren, der optimale Wert des Wasser/Brennstoffverhältnisses in dem Blanket 20 zwischen ungefähr 1,5 ausgewählt und 2,0 und vorzugsweise ungefähr 1,7 betragen sollte.
Vorzugsweise umfasst die Seed-Region 18 zwischen ungefähr 25 und 40% des Gesamtvolumens in der SBU 12. Dieser Bereich von Werten wird ebenfalls basierend auf konkurrierende Betrachtungen bestimmt. Zuerst ist der Kern 10 ausgelegt, um soviel Thorium wie möglich abzubrennen, womit die Blanket-Region 20 so groß wie möglich gemacht werden muss. Andererseits kann die Seed-Region aus den zuvor angegebenen Gründen nicht so klein gemacht werden, dass die Leistungsdichte darin zu hoch ansteigt. Der Bereich von 25 bis 40% wurde festgelegt, um den optimalen Ausgleich dieser konkurrierenden Betrachtungen zu liefern.
Noch ein weiterer bedeutender Aspekt der Auslegung der SBU 12 ist die Zentrale-Seed/Ringförmige-Blanket-Konfiguration. Bei der zuvor veröffentlichten internationalen Anmeldung des Anmelders, Veröffentlichungsnummer. WO85/01826, wird ein Seed-Blanket-Kern offenbart, der einen ringförmigen Seed mit sowohl einem inneren zentralen Blanket-Abschnitt als auch einem äußeren umgebenden Blanket-Abschnitt benutzt. Eine derartige Anordnung kann nicht nicht-proliferativ gemacht werden, da der dünne ringförmige Seed eine entsprechend kleine "optische Dicke" aufweist, die das Seed-Spektrum veranlasst, von dem viel härteren Spektrum der inneren und äußeren Blanketabschnitte dominiert zu werden. Dies führt zu höheren thermischen Neutronenenergien und einer resultierenden erhöhten Produktion von Pu-239 in dem Seed. Die zentrale Seed-Anordnung der SBU 12 überwindet diesen. Nachteil, indem der Seed-Abschnitt 18 dick genug gemacht wird, um eine übermäßige Wechselwirkung mit den von dem Blanketabschnitt 20 in den Seed-Abschnitt 18 kreuzenden thermischen Neutronen zu vermeiden.
Die referenzierten Kern- und Brennelementparameter für den Kern 10 und jede der SBUs 12 werden in Tabelle 1 bzw. 2 nachstehend präsentiert. Diese Parameter wurden ausgewählt, um eine vollständige Kompatibilität des SBU-Brennelements mit einem existierenden (typischen) WER-1000-Kraftwerk bereitzustellen.
Tabelle 1 Kernparameter
Tabelle 2 SBU Parameter
Um zusätzliche Reaktivitätssteuerung während jedes Seed-Zyklus bereitzustellen, kann die SBU 12 modifiziert werden, wie in 3 dargestellt, um eine Mehrzahl brennbarer Absorberstäbe 28 und 30 aufzuweisen, die an beabstandeten Stellen in dem Seed-Abschnitt 18 positioniert sind. Bei dem in 3 dargestellten Beispiel umfasst die erste Gruppe von brennbaren Absorberstäben 28 brennbare Westinghouse-Standard-Absorberstäbe, die als WABAs bekannt sind, wie sie gegenwärtig bei herkömmlichen DWR-Brennstoffsystemen benutzt werden. Diese Stäbe werden aus einem Verbundstoff gebildet, das aus Bor-10, Bor-11, Kohlenstoff, Aluminium und Sauerstoff aufgebaut ist. Die zweite Gruppe von brennbaren Absorberstäben 30 umfasst Uran-Zircaloy-Seed-Brennstäbe, die modifiziert wurden, um einen kleinen Prozentsatz von natürlichen Gadolinium zu enthalten. Jede Anzahl und Kombination der brennbaren Absorberstäbe 28 und 30 kann nach Bedarf benutzt werden. Bei dem in 3 dargestellten Beispiel enthält jede SBU 12 der WABAs 28 und 6 der Gadolinium/Brennstäbe 30.
Beide Arten von brennbaren Absorberstäben weisen ihre Vorteile auf. Die WABAs liefern eine gleichförmigere Steuerung der Reaktivität bis zum Ende jedes Reaktorbrennstoffzyklus, während die Gadolinium/Brennstäbe 30 eine große negative Reaktivitätseinleitung für das erste Drittel der Reaktorzykluslebensdauer bereitstellen. 4 veranschaulicht das Reaktivitätsniveau K in jeder der SBUs 12 als eine Funktion von Vollasttagen für jede der vier Seed-Steuervariationen: kein Gift, Gadoliniumgift, Borgift und kombiniertes Gadolinium- und Borgift. Wie dargestellt, führt die Kombination beider Arten von Absorbersteuerung zu der flachsten Reaktivitätskurve.
Herkömmliche Steuerstäbe werden ebenfalls vorzugsweise benutzt, um die Überschussreaktivität in dem Reaktorkern auszugleichen. Außerdem können die Steuerstäbe für die Notabschaltung (Scram) des Reaktors und die Kompensation von Leistungstransienten benutzt werden, die aus Xe-Schwingungen und Moderatortemperaturtransienten resultieren. Die Steuerstäbe werden in Steuerelemente (CRCs = control rod clusters) mit 12 Steuerstäben pro CRC zusammengebaut. Wie in Tabelle 1 angeführt, ist es nicht notwendig, dass jede SBU ein CRC aufweist, und Berechnungen geben an, dass es ausreichend ist, ein CRC in jeweils 61 der 163 SBUs in dem Kern zu platzieren.
Bei dem Betrieb des nicht-proliferativem Leichtwasser-Thorium-Kernreaktorkerns 10 wird ein einmaliger Brennstoffzyklus benutzt, bei dem alle Brennstäbe in sowohl den Seed- als auch den Blanket-Regionen 18 und 20 in dem Reaktorkern nur einmal benutzt werden. Ein eindeutiger Brennstoffeinsatzplan wird jedoch benutzt, bei dem die Seed- und Blanket-Brennelemente getrennten Brennstoffeinsatzpfaden folgen. Insbesondere bleibt jeder der Seed-Brennstäbe 22 in dem Reaktorkern für mehr als einen Seed-Brennstoffzyklus (ungefähr 13 Monate), vorzugsweise 3 Zyklen, wobei jedoch ein Bruchteil (vorzugsweise ein Drittel) der Seeds am Ende jedes Seed-Brennstoffzyklus ausgetauscht wird. Vorzugsweise werden die Positionen der SBUs 12 in dem Kern ebenfalls am Ende jedes Seed-Brennstoffzyklus umgesetzt, um die Leistungsverteilung überall im Kern zu verbessern. Im Gegensatz dazu bleibt jeder der Blanket-Brennstäbe 24 in jeder SBU 12 für die gesamte Lebensdauer des Blanket 20, die vorzugsweise neun Brennstoffzyklen oder ungefähr 10 Jahre beträgt.
Dieser Brennstoffeinsatzplan kombiniert mit der Seed-Blanket-Anordnung und zugeordneten Kernparametern ermöglicht, dass ungefähr 80 bis 90% des Urans in den Seed-Brennelementen 22 konsumiert wird, bevor sie aus dem Kern 10 entfernt werden. Als Ergebnis sind die abgebrannten Seed-Brennstäbe 22 von keinem wirtschaftlichen oder nuklearen Wert, da so wenig der ursprünglichen U-235-Beladung verbleibt.
Außerdem verursacht dieser erweiterte Abbrand der Seed-Brennstäbe einen Aufbau von Pu-238, der ausreichend hoch ist, um die kleine Menge (ungefähr 30 kg pro Jahr) von Pu-239 vollständig zu denaturieren, die in dem Seed 18 erzeugt wird. Genauer gesagt ist ungefähr 8–9% des Gesamtplutoniums, das durch den Reaktorkern 10 erzeugt wurde, Pu-238. Da Pu-238 ein Wärmeerzeuger ist, der ungefähr das 300-fache der durch Pu-239, dem waffenfähigen Plutonium, erzeugten Wärmemenge erzeugt, verhindert ein derartig hoher Prozentsatz von Pu-238, dass das von dem Reaktorkern erzeugte Plutonium für Waffenzwecke verwendet wird. Insbesondere haben zahlreiche Untersuchungen bestimmt, dass reaktorfähiges Plutonium nicht für Waffenzwecke verwendet werden kann, sogar wenn die Waffen auf 0°F abgekühlt werden, wenn der Gehalt von Pu-238 gleich 4,9 Gewichts-% ist oder höher ist. Bei diesen Konzentrationen veranlasst die durch das Pu-238 erzeugte Wärme, dass die hohch explosiven Stoffe schmelzen und der Plutoniumkern ebenfalls schließlich schmilzt oder mindestens seine Phase von einer normalen Alphaphase in eine Deltaphase ändert. Die Phasenänderung verringert seine Dichte und erhöht wesentlich seine kritische Masse. Da der nicht-proliferative Kern 10 Konzentrationen von Pu-238 weit über 4,9 % erzeugt, macht dies das entladene Plutonium im wesentlichen nichtproliferativ.
Der Brennstoffeinsatzplan mit mehreren Chargen wird ausführlicher in 5.1 bis 5.9 dargestellt, die einen Kuchenstückabschnitt von ungefähr 1/5 der SBUs 12 in dem Kern 10 zeigen. Jede der 5.1 bis 5.9 zeigt den Brennstoffbeladeplan für jeden der neun Seed-Brennstoffzyklen, die einem Blankett-Brennstoffzyklus entsprechen. Die Brennstoffbeladepläne spiegeln die angenommene Grundvorgehensweise wieder, d.h., einen Brennstoffeinsatzplan mit drei Chargen. Dies bedeutet, dass es mit Ausnahme der Einschwing-Zyklen 1 und 2 bei allen Zyklen drei Seed-Chargen gibt: frisch, einmal abgebrannt und zweimal abgebrannt. Diese werden auf den Nachladeplänen als F, 0 bzw. T gekennzeichnet. Ein weiterer Hauptfaktor, der das Nachladeschema beeinflusst, ist die starke Verwendung von brennbaren Giften, die imstande sind, lokale Leistungsspitzen zu unterdrücken. Es sei ebenfalls bemerkt, dass die Mehrheit des frischen Brennstoffs nicht an der Kernperipherie sondern vorwiegend innerhalb des Mittelteils des Kerns an Positionen 6, 8, 10 und 12 und nahe peripherer Positionen 20, 21, 23, 26 und 32 geladen werden. Zusätzliche in 5.1 bis 5.9 gezeigte Information zeigt die Verteilung der U-Gd- und der WABA-Absorberstäbe innerhalb des Kerns. Die sorgfältig ausgearbeitete Verteilung des brennbaren Giftes spiegelt die Komplexität des Nachladeschemas und die Konfigurationen mit niedriger Leckage wieder, die bei dieser Auslegung verwendet werden. Diejenigen SBUs mit CRCs werden ebenfalls durch ein C angegeben.
Am Anfang der Kernlebensdauer, d.h. Zyklus 1, werden alle frischen Seed-Brennelemente geladen. Um eine angemessene radiale Leistungsverteilung zu erreichen, werden drei unterschiedliche Urananreicherungen und Gewichtsbruchteile verwendet. Wie es in 5.1 angegeben ist, enthält ein erstes Drittel der SBUs 12 Seed-Brennstäbe mit 9,5 Volumen-% Uran angereichert auf 12 Gewichts-% U-235, ein zweites Drittel der SBUs 12 enthält Seed-Brennstäbe mit 14,5 Volumen-Uran angereichert auf 17 Gewichts-% U-235 und das verbleibende Drittel der SBUs 12 enthält Seed-Brennstäbe mit 17 Volumen-% Uran angereichert auf 20 Gewichts-% U-235. Die Zielanreicherung für frischen Brennstoff von 20 Gewichts-% U-235 wurde danach für jede der folgenden Zyklen 3 bis 9 verwendet. Somit sind Zyklen 1 und 2 Einschwing-Zyklen, während die Zyklen 3 bis 9 Quasi-Gleichgewichtszyklen sind. Die frische Brennstoffanreicherung war konstant bei 20 Gewichts-% U-235, wobei jedoch der Gewichtsbruchteil von Uran in der U/Zr-Legierung verändert wurde, um 300 Vollasttage zu gewährleisten, die einem Seed-Brennstoffzyklus entsprechen. Da der Reaktor gewöhnlicherweise nicht bei Vollast während des gesamten Brennstoffzyklus betrieben wird, wird geschätzt, dass die tatsächliche Länge des Seed-Brennstoffzyklus ungefähr 13 Monate beträgt.
B. Der Plutonium-Incinerator
Die zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist eine weitere Seed-Blanket-Reaktorkernauslegung, die als der Plutonium-Incinerator bekannt ist. Wie der Name impliziert, besteht die Aufgabe dieser Ausführungsform der Erfindung darin, soviel waffen- oder reaktorfähiges Plutonium wie möglich zu konsumieren. Dies ist im Gegensatz zu der Aufgabe der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die darin besteht, soviel Energie wie möglich aus dem Thoriumbrennstoff in dem Blanket herzuleiten. Wie ausführlicher nachstehend erläutert wird, diktiert die vollständig unterschiedliche Aufgabe des Plutonium-Incinerators, dass vollständig unterschiedliche Kernparameter benutzt werden.
Die bevorzugte Form der Plutonium-Incineratorausführungsform ist in 6 dargestellt, und umfasst einen Reaktorkern 100, der erneut aus einer Mehrzahl von SBUs 102 gebildet ist. Der Kern 100 umfasst einen im allgemeinen kreisförmigen Querschnitt und 89 der SBUs 102, wobei jede dieser einen quadratischen Querschnitt aufweist. Es sei noch einmal bemerkt, dass die Größe und die Form des Reaktorkerns beliebig ist und nach Bedarf verändert werden kann, um eine gewünschte Leistung zu erreichen, und/oder Nachrüstung in jeder Art eines herkömmlichen Kern unterzubringen.
Jede der SBUs 102 umfasst eine zentrale Seed-Region 104 und eine ringförmige Blanket-Region 106. Der Gesamtprozentanteil des SBU-Volumens, das von der Seed-Region 104 belegt wird, wird bei dieser Ausführungsform ausgewählt, um so groß wie möglich, vorzugsweise zwischen ungefähr 45 und 55% zu sein, so dass soviel Plutonium in dem Seed wie möglich abgebrannt werden kann.
Ein aus jedem geeigneten Stoff, wie beispielsweise Thoriumoxid, hergestellter Reflektor 108 umgibt den Kern 102.
Eine bevorzugte Form der SBU 102 ist in 7 dargestellt. Wie dargestellt, ist die Seed-Region 102 aus einer ersten Mehrzahl von Seed-Brennstäben 110 aufgebaut, die aus Plutonium (waffen- oder reaktorfähig) und Zirkonlegierung oder alternativ Cermet-Brennstoff aufgebaut ist. Eine Mehrzahl von Wasserlöchern 112 sind gleichmäßig überall in der Seed-Region 104 zur Aufnahme von Steuerstabstiften beabstandet. Erste und zweite Mehrzahlen von brennbaren Absorberstäben 114 und 116 sind ebenfalls gleichmäßig überall in der Seed-Region 104 positioniert. Die brennbaren Absorberstäbe 114 sind vorzugsweise aus einer Mischung des Seed-Brennstoffs und Gadolinium gebildet. Diese können von zwei Arten sein, wobei die erste Art eine Gadoliniumkonzentration von 0,36 g/cm³ und die zweite Art eine Gadoliniumkonzentration von 0,72 g/cm³ aufweist. Die brennbaren Absorberstäbe 116 umfassen vorzugsweise herkömmliche WABA-Absorberstäbe. Jede Kombination der zwei Arten von brennbaren Absorberstäben 114 und 116 kann nach Wunsch benutzt werden.
Die Blanket-Region 106 enthält eine Mehrzahl von Blanket-Brennstäben 118, die vorwiegend aus Thoriumoxid gebildet sind. Vorzugsweise wird ein kleiner Prozentsatz, weniger als ungefähr 1 Volumen-% von Plutoniumoxid mit dem Thoriumoxid in den Blanket-Brennstäben 116 gemischt, um den Blanket-Multiplikationsfaktor während des Anfangsreaktorbetriebs hochzuhalten. Außerdem ist es sehr bedeutsam, dass ungefähr 2 bis 5 Gewichts-% Uranrückstände (natürliches Uran, wobei der Großteil des U-235-Isotops entfernt ist) zu dem Thorium hinzugefügt werden, um das U-233 zu denaturieren, das in dem Thorium während des Reaktorbetriebs durch nicht-spaltbare Isotope, wie beispielsweise U-233, U-234, U-236 und U-238, gebildet wird. Dies ist notwendig, da im Gegensatz zu der ersten bevorzugten Ausführungsform, bei der eine kleine Menge angereichertem Uran zu den Blanket-Brennstäben hinzugefügt wird, die selber diese nicht-spaltbaren Isotope erzeugen können, das zu dem Blanket-Brennstäben in der Plutonium-Incineratorausführungsform hinzugefügte Plutonium nicht imstande ist, diese nicht-spaltbaren Isotope zu erzeugen.
Das Moderator/Brennstoffvolumenverhältnis in der Seed-Region 104 wird ausgewählt, um viel höher als bei einem herkömmlichen Reaktorkern zu sein, wobei jedoch die Gründe dafür unterschiedlich von der nicht-proliferativen Ausführungsform der Erfindung sind. Insbesondere wird das Moderator/Brennstoffverhältnis ausgewählt, um ungefähr zwischen 2,5 und 3,5 und vorzugsweise zwischen 2,5 und 3,0 zu liegen. Dieser Effekt erzeugt eine thermischen Neutronenfalle innerhalb des Seed und erhöht ferner den Steuergiftreaktivitätswert, wodurch der Reaktor viel leichter zu steuern ist. Wie bei der nicht-proliferativen Kernausführungsform wird das Moderator/Brennstoffverhältnis; in der Blanket-Region ausgewählt, um ungefähr zwischen 1,5 und 2,0 zu liegen.
Beispielwerte für den Hauptkern und SBU-Parameter für die Plutonium-Incineratorausführungsform der Erfindung werden nachstehend in Tabelle 3 und 4 bereitgestellt: Tabelle 3 Hauptkernparameter

Parameter Wert

Leistungsniveau, MWth 3250

Anzahl von SBUs im Kern 89

Äquivalenter Kerndurchmesser, cm 380

Aktive Höhe des Kerns, cm 365

Durchschn. Leistungsdichte W/cz 78,5
Tabelle 4 Zusätzliche Kernparameter
Bei dem Betrieb des Plutonium-Incineratorkerns 100 liegen die Seed-Brennstäbe 116 und die Blanket-Brennstäbe 118 in dem Kern für zwei Jahre und werden gleichzeitig entladen. Dieser Brennstoffnachladeplan ist vom Blickpunkt des Plutoniuminventarverringerungsrate optimal, wobei es jedoch vom Blickpunkt der Thoriumausnutzung suboptimal ist. Dies ist jedoch von keiner Bedeutung, da die Aufgabe des Plutonium-Incineratorkerns 100 darin besteht, den Verbrauch von Plutonium zu maximieren.
Vorzugsweise nimmt der Brennstoffeinsatzplan ein Kern mit zwei Chargen mit einem Standard-Umsetzplan von außen nach innen an. Die Nachladekonfiguration und der akkumulierte Abbrand für die ein- und zweimal abgebrannten Brennelemente werden in dem Kernschema von 8 dargestellt. Der akkumulierte Abbrand für die einmal abgebrannten Elemente beträgt ungefähr 15 GWD/T, und der entladene Brennstoff beträgt durchschnittlich ungefähr 31 GWD/T. Drei unterschiedliche Arten von Brennelementen werden in dem Kernschema von 8 dargestellt. Elemente vom Typ A benutzen 20 der Gadolinium-basierten brennbaren Absorberstäbe 14, die jeweils eine Gadoliniumkonzentration von 0,36 g/cm³ aufweisen, Brennelemente vom Typ B enthalten ebenfalls 20 der Gadolinium-basierten brennbaren Absorberstäbe 114, wobei diese jedoch eine Gadoliniumkonzentration von 0,72 g/cm³ aufweisen, und Brennelemente vom Typ C enthalten 20 der Gadoliniumbasierten brennbaren Absorberstäbe 114 mit einer Gadoliniumkonzentration von 0,72 g/cm³ sowie auch 20 der brennbaren WABA-Absorberstäbe 116.
Die jährliche Beschickung von Pu-239 in den Plutonium-Incineratorkern 100 beträgt ungefähr 1350 kg. Jedes Jahr werden 500 kg Plutonium aus dem Reaktor entladen, womit eine Nettozerstörungsrate von ungefähr 850 kg des Gesamtplutonium hinterlassen wird, obwohl nur ungefähr 200 kg Pu-239 verbleibt, da der Rest des verbleibenden Plutoniums in der Form der anderen Plutoniumisotope Pu-240, 241 und 242 ist.
Ein Gleichgewichtszyklus basierend auf LWR-Brennelemente mit Standardgröße, die das Seed-Blanket-Konzept benutzen, werden die äquivalenten Ergebnisse geben.
Die Vorteile des Verwendens des Thoriumbrennstoffzyklus zum Verbrennen von Pu-239 in einem Seed-Blanket-Reaktor resultiert aus den neutronischen Eigenschaften von Thorium, nämlich seinen hohen thermischen Absorptionswirkungsquerschnitt. Dies führt zu einem hohen Pu-Anfangsinventar und daher zu einem hohen Verbrauch von Pu pro Energieeinheit. Das Ansteuern des Thorium-Blankets mit spaltbaren Pu-Material verursacht einen hohe Pu-Leistungsanteil und daher eine wirksame Pu-Verbrennung.
Die Verwendung eines Kernauslegung für einen herkömmlichen homogenen Leichtwasserreaktor (LWR) stellt ein Steuerbarkeitsproblem dar. Überschussreaktivität eines Brennstoffzyklus basierend auf Pu ist von dem gleichen Wert eines ähnlichen Uran-basierten Zyklus, während der Reaktivitätswert eines Standardsteuermechanismus beträchtlich niedriger ist. Der Pu-basierte Brennstoff wird durch einen sehr hohen thermischen Absorptionswirkungsquerschnitt gekennzeichnet, der mit Steuergiftmaterial für thermische Neutronen konkurriert. Die Ergebnisse einer herkömmlichen homogenen Elementauslegung geben an, dass die Wirksamkeit von Steuerstäben, löslichem Bor und brennbaren Giften um ungefähr einen Faktor 2 verglichen mit herkömmlichen LWR-Werten verringert wird. Die offensichtlichen Lösungen zu diesem Problem bestehen darin, die Reaktivitätssteuerwerte unterschiedlicher Steuermechanismen zu verbessern, wie beispielsweise die Nutzung leistungsfähiger Absorber und/oder Erhöhen des Moderator/Brennstoffvolumenverhältnisses des Kerns. Ungünstigerweise weisen derartige Lösungen eine negative Auswirkung auf die Sicherheit und wirtschaftliche Leistungsparameter des Reaktors auf.
Die Thorium-basierte Seed-Blanket-Auslegung liefert eine eindeutige Lösung zu diesem Problem, die keine wirtschaftlichen oder betriebsmäßigen Strafen mit sich bringt. Da die Steuerstäbe und/oder brennbaren Absorberstäbe nur in der Seed-Region 104 jeder SBU 102 positioniert sind, wird deren Steuerwirksamkeit wesentlich erhöht, da die Leistungsdichte des Seed-Anteils viel höher als derjenige des Kerndurchschnitts ist. Somit ist die Neutroneneinflussfunktion in dem Seed sehr hoch, wodurch der Reaktivitätswert der Steuer- und Absorberstäbe erhöht wird. Außerdem verbessert das hohe Moderator/Brennstoffvolumenverhältnis in der Seed-Region die Leistungsverteilung in der SBU und erzeugt eine Falle für thermische Neutronen in dem Seed, wodurch der Steuergiftreaktivitätswert weiter erhöht wird.
C. Zusammenfassung
Zusammenfassend liefert die Erfindung zwei neuartige Thorium-basierte Seed-Blanket-Reaktorkernanordnungen, die besonders bedeutsam sind, weil sie wirtschaftlich lebensfähige Lösungen zu den Problemen der nuklearen Weiterverbreitung und der Zerstörung waffenfähigen Kernbrennstoffs liefern, während zur gleichen Zeit eine wirtschaftlich zuverlässige Quelle elektrischer Leistung bereitgestellt wird. Die nicht-proliferative Ausführungsform der Erfindung ist für die Verwendung durch weniger entwickelte Länder ideal, da sie jede Sorge beseitigt, dass der Reaktorbrennstoff oder Abfallstoffe für die Herstellung von Kernwaffen verwendet werden, da diese nicht zu diesem Zweck verwendet werden können. Die Plutonium-Incineratorausführungsform ist besonders attraktiv zur Verwendung beim Bereitstellen eines ausgezeichneten Mittels, durch das gelagertes waffen- und reaktorfähiges Plutonium zweckmäßig zerstört werden kann. Bei beiden Ausführungsformen ist die Seed-Blanket-Kernanordnung notwendig, um die gewünschten Ergebnisse zu liefern. Ohne sie würde die nichtproliferative Ausführungsform nicht arbeiten, d.h. sie würde proliferative Abfallstoffe erzeugen. Bei dem Plutonium-Incinerator wird die Seed-Blanket-Anordnung benötigt, um eine ordnungsgemäße Reaktorsteuerung zu gewährleisten und die Erzeugung von bedeutsamen neuen Mengen von Pu-239 zu verhindern.
Obwohl die Erfindung hinsichtlich einer Anzahl bevorzugter Ausführungsformen offenbart wurde, ist ersichtlich, dass zahlreiche weitere Variationen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

Kernreaktor, der einen Kern mit einer Mehrzahl von Seed-Blanket-Einheiten (12) aufweist, wobei jede Seed-Blanket-Einheit umfasst: (a) eine zentrale Seed-Region (18), die Blanket-Brennelemente (22) enthält, die spaltbares Material mit U-235 und U-238 enthalten; (b) eine ringförmige Blanket-Region (20), die die Seed-Region umgibt und Blanket-Brennelemente (26) mit überwiegend Thorium und ungefähr 10 Volumen-% oder weniger von angereichertem Uran enthält; (c) einen Moderator (24) in der Seed-Region, wobei das Volumenverhältnis von Moderator zu Brennstoff in dem Bereich ungefähr 2,5 bis 3,18 beträgt; (d) einen Moderator in der Blanket-Region, wobei das Verhältnis von Moderator zu Brennstoff in dem Bereich von ungefähr 1,5 bis 2,0 beträgt; und wobei (e) die zentrale Seed-Region, die ringförmige Blanket-Region und der Moderator derart aufgebaut sind, das im Einsatz die zentrale Seed-Region in einem überkritischen Zustand und die ringförmige Blanket-Region in einem unterkritischen Zustand arbeitet.
Kernreaktor gemäß Anspruch 1, bei dem die Seed-Brennelemente (22) aus spaltbarem Material mit U-235 und U-238 im Verhältnis von ungefähr 20% oder weniger U-235 zu 80% oder mehr U-238 gebildet sind und die Blanket- Brennelemente angereichtes Uran mit 20 oder weniger Volumen-% U-235 umfassen.
Kernreaktor gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem jedes der Seed-Brennelemente (22) aus einer Uran-Zirkonlegierung aufgebaut ist.
Kernreaktor gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die zentrale Seed-Region (18) zwischen ungefähr 25 und 40% des Gesamtvolumens jeder Seed-Blanket-Einheit (12) umfasst.
Kernreaktor gemäß Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 4, bei dem eine erste Gruppe der Seed-Blanket-Einheiten (12) Seed-Brennelemente (22) aufweist, die auf einen ersten Grad angereichtes Uran enthalten, und eine zweite Gruppe der Seed-Blanket-Einheiten Seed-Brennelemente aufweist, die auf einen zweiten höheren Grad angereichertes Uran enthalten.
Kernreaktor gemäß Anspruch 5, bei dem eine dritte Gruppe der Seed-Blanket-Einheiten (12) Seed-Brennelemente (22) aufweist, die auf einem dritten, noch höheren Urangrad angereichert sind.
Kernreaktor gemäß Anspruch 2, bei dem der Moderator (24) in den Seed- und Blanket-Regionen (18, 20) leichtes Wasser ist.
Kernreaktor gemäß Anspruch 2, bei dem die zentrale Seed-Region (18) ferner eine Mehrzahl von brennbaren Giftstäben (28, 30) enthält.
Kernreaktor gemäß Anspruch 8, bei dem die brennbaren Giftstäbe WABA Giftstäbe (28) und Gadolinium-enthaltende Giftstäbe (30) umfassen.
Kernreaktor gemäß Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei dem jede der Seed-Blanket-Einheiten entweder eine quadratische oder eine hexagonale Querschnittsform aufweist.
Verfahren zum Auslegen eines Kernreaktorkerns mit folgenden Schritten: Bereitstellen einer Mehrzahl von Seed-Blanket-Einheiten (12), wobei jede Seed-Blanket-Einheit eine zentrale Seed-Region (18) mit Seed-Brennelementen (22) aus spaltbaren Material mit U-235 und U-238 und eine ringförmige Blanket-Region (20), die die Seed-Region umgibt, und Blanket-Brennelemente (26) mit überwiegend Thorium und ungefähr 10% oder weniger nach Volumen von angereicherten Uran enthält; Bereitstellen eines Moderators (24) in der Seed-Region in dem Volumenverhältnis von Moderator zu Brennstoff in dem Bereich von ungefähr 2,5 bis 3,18; und Bereitstellen eines Moderators in der Blanket-Region im Verhältnis von Moderator zu Brennstoff in dem Bereich von ungefähr 1,5 bis 2,0, und wobei die zentrale Seed-Region, die ringförmige Blanket-Region und der Moderator derart aufgebaut sind, sodass im Einsatz die zentrale Seed-Region in einem überkritischen Zustand und die ringförmige Blanket-Region in einem unterkritischen Zustand arbeitet.
Verfahren gemäß Anspruch 11, ferner mit folgenden Schritten: (a) Bereitstellen von mindestens zwei Gruppen von Seed-Blanket-Einheiten (12); (b) Beladen der zentralen Seed-Regionen (18) der ersten Gruppe der Seed-Blanket-Einheiten mit einer Mehrzahl von Seed-Brennelementen (22), die auf einen ersten Grad angereichertes Uran enthalten; (c) Beladen der zentralen Seed-Regionen der zweiten Gruppe der Seed-Blanket-Einheit mit einer Mehrzahl von Seed-Brennelementen, die auf einen zweiten Grad angereichertes Uran enthalten. (d) Beladen der Blanket-Regionen (20) in sowohl der ersten als auch der zweiten Gruppe der Seed-Blanket-Einheiten jeweils mit einer Mehrzahl von Blanket-Brennelementen (26), die überwiegend Thoriumoxid gemischt mit ungefähr 10 Volumen-% oder weniger von Uranoxid enthalten; und ferner mit den Schritten des Betreibens des Reaktors durch: (e) Austauschen der Seed-Brennelemente in der ersten Gruppe der Seed-Blanket-Einheiten am Ende eines ersten Seed-Brennstoffzykluses durch eine erste Gruppe von frischen Seed-Brennelementen; (f) Austauschen der Seed-Brennelemente in der zweiten Gruppe vom Seed-Blanket-Einheiten am Ende eines zweiten Seed-Brennstoffzykluses durch eine zweite Gruppe von frischen Seed-Brennelementenl und (g) Austauschen der Blanket-Brennelemente (26) in jeder der Seed-Blanket-Einheiten in der ersten und zweiten Gruppe am Ende eines Blanket-Brennstoffzykluses, wobei der Blanket-Brennstoffzyklus eine Zeitintervalllänge aufweist, die unabhängig von der Zeitintervalllänge der Seed-Brennstoffzyklen ist.
Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem die Zeitintervalllänge der Seed-Brennstoffzyklen ausgewählt ist, sodass jede Gruppe von Seed-Brennelementen in dem Kern verbleibt, bis ihre Uranbeladung auf ungefähr 20% der weniger ihrer anfänglichen Uranbeladung abgereichert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 12, ferner mit folgen den Schritten: Beladen der Seed-Regionen einer dritten Gruppe der Seed-Blanket-Einheiten in dem Kern jeweils mit Seed-Brennelementen, die auf einen dritten Grad angereichertes Uran enthalten, der höher als sowohl der erste als auch der zweite Grad ist; Beladen der Blanket-Regionen in der dritten Gruppe der Seed-Blanket-Einheiten in dem Kern jeweils mit einer Mehrzahl von Blanket-Brennelementen, die überwiegend Thoriumoxid gemischt mit ungefähr 10 Volumen-% oder weniger Uranoxid enthalten; und Austauschen der Seed-Brennelemente in der dritten Gruppe der Seed-Blanket-Einheiten am Ende eines dritten Seed-Brennstoffzykluses mit einer dritten Gruppe von frischen Seed-Brennelementen.
Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem der Schritt des Austauschens der Blanket-Brennelemente ferner ein Austauschen der Blanket-Brennelemente in jeder der Seed-Blanket-Einheiten am Ende von neun Seed-Brennstoffzyklen umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem der Reaktorkern ein Druckwasserreaktorkern ist, und jede der Seed-Blanket-Einheiten entweder eine quadratische oder hexagonale Querschnittsform aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem die Seed-Regionen in jeder der Seed-Blanket-Einheiten ausgewählt sind, um zwischen ungefähr 25 bis 40% des Gesamtvolumens jeder der Seed-Blanket-Einheiten (12) zu umfassen.
Verfahren gemäß Anspruch 12, ferner mit dem Schritt eines Umsetzens der Seed-Blanket-Einheiten in dem Kernreaktorkern nach jedem Seed-Brennstoffzyklus zur Einstellung der Leistungsverteilung im gesamten Kern.
Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem der dritte Urananreicherungsgrad ausgewählt wird, und ungefähr 20% oder weniger U-235 zu 80% oder mehr U-238 zu sein, und wobei die ersten und zweiten Urananreicherungsgrade ausgewählt sind, um ungefähr 12% U-235 bis 88% U-238 bzw. ungefähr 17% U-235 bis 83% U-238 zu sein.