EP2641249A1 - Konverter - reaktor f1jr thermische neutronen - Google Patents

Konverter - reaktor f1jr thermische neutronen

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EP2641249A1
EP2641249A1 EP11826178.3A EP11826178A EP2641249A1 EP 2641249 A1 EP2641249 A1 EP 2641249A1 EP 11826178 A EP11826178 A EP 11826178A EP 2641249 A1 EP2641249 A1 EP 2641249A1
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moderator
reactor
fuel rods
low
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EP11826178.3A
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Alexander POTEMKIN
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    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the low pressure housing of the reactor is filled with a high strength titanium alloy internally coated with a protective boron nitride composite and with a polysilane based heat transfer medium in which the active zone is submerged.
  • the interior of the fuel rods in the technology channels of the moderator accommodated fuel elements is filled with the uranium-plutonium melt.
  • the upper ends of the fuel rods are merged into the fission product collectors of the fuel assemblies.
  • the ends of the fuel rods communicate with the cavity of the fuel assembly which communicates with the open cavity above the fuel with which it has the same pressure.
  • the fuel rods are in stainless steel sheaths with a thickness of 0.25 mm.
  • the good thermal contact between the fuel core of uranium and the shell is achieved in that the gap between them is filled with liquid sodium or sodium-potassium.
  • the upper part of the shell is filled with helium.
  • the reactor housing and the supports are made of stainless steel.
  • the heat transfer medium (sodium) is fed from the lower part of the reactor housing via the tubes of the technical channels and through the 11.25 mm gaps between the graphite blocks.
  • the named reactor has the following disadvantages:
  • the hermetic seal of the fuel rod prevents the removal of the volatile and gaseous fission products, which increases the pressure inside the shell and in a melt of the fuel leads to their destruction and the ejection of the fission products in the heat carrier.
  • the proposed invention comes closest to its technical principle according to the converter reactor utility model 56048 from 03.05.2006, in which the fuel rod of a composite material 95-80 vol.%. n B 15 N and 5-20% by volume of .beta.-SiC whiskers and is in contact with liquid uranium-plutonium fuel and 7 Li heat transfer medium during operation.
  • the upper ends of the fuel rods communicate with the fuel assembly lumen and the cavity above the fuel and gas cushion of the reactor, through which the volatile fission products are continuously eliminated, while the accumulator is equipped with a storage for the neutron absorbing non-volatile fission products.
  • the steel low-pressure housing which must absorb the defects arising in the reactor operation, has an increased susceptibility to over
  • the object of the invention is to provide a working with liquid uranium-plutonium fuel converter reactor in which the average breeding factor of the fuel sufficient for self-sufficiency with fuel and which is free from the deficiencies mentioned above.
  • the resulting from the invention technical solution is that in the proposed
  • Reactor construction is a low-enriched mixture of Brutstoff and fissile uranium and Plutoniumisotopen is used in which the proportion of fissile isotopes is as high as in the processed fuel (OJaT) from light water reactors, which is why the reactor requires no products from an external fuel cycle.
  • OJaT processed fuel
  • Channel construction has a low-pressure housing made of a high-strength Titanium alloy, which does not become radioactive during reactor operation, an active zone accommodated in this housing, consisting of the vertical columns of the side reflector and the moderator, the technological channels (TK) for the flow of the heat carrier being embedded in the central openings of the moderator columns, in which in turn the fuel elements (TVS) with the fuel rods (TVEL) are housed.
  • the case is protected from the inside with a boron nitride composite.
  • the upper ends of the fuel rods are merged in the fission product collector of the fuel assembly.
  • the moderator and the reflector are made of a n B 15 N-based nanostructured composite reinforced with nanowires of ß-SiC and nanodispersive cubic n B 15 N particles and enriched with helium.
  • the fission product collector of the fuel assembly contains both a nanoporous sorbent material for extraction of gaseous and high vapor pressure products from the uranium-plutonium melt level, and a sorbent material for the low vapor pressure fission products which has a low vapor pressure
  • Fuel elements with the fuel rods housed are crucibles with blind lower and open upper end, in the interior of which is the uranium-plutonium melt with a temperature of 700 - 1150 ° C and outside the polysilasane-based heat transfer medium.
  • the proposed invention solves the main problems of nuclear power generation:

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Abstract

Ein Konverter-Reaktor bestehend aus einem Niederdruckgehause, in welchem sich die aktive Zone befindet, welche aus den Vertikalsaulen des Seitenreflektors und des Moderators besteht, wobei in die zentralen Offnungen der Moderatorsaulen die technologischen Kanale (TK) fur den Durchfluss des Warmetragers eingelassen sind, in welchen wiederum die Brennelemente (TVS) mit den Brennstaben (TVEL) untergebracht sind, kennzeichnet sich dadurch aus, dass das Niederdruckgehause des Reaktors aus einer innen mit einem schutzenden Bornitrid-Verbundstoff ausgerusteten hochfesten Titanlegierung und mit einem Polysilazan-basierten Warmetrager gefullt ist, in den die aktive Zone eingetaucht ist, dass der Innenraum der Brennstabe der in den technologischen Kanalen des Moderators untergebrachten Brennelemente mit der Uran-Plutonium-Schmelze gefullt ist, dass die oberen Enden der Brennstabe in den Spaltproduktsammlern der Brennelemente zusammengefuhrt werden und die Enden der Brennstabe mit dem Hohlraum des Brennelements kommunizieren, der mit dem offenen Hohlraum uber dem Brennstoff kommuniziert, mit dem er denselben Druck hat.

Description

'KONVERTER-REAKTOR FÜR THERMISCHE NEUTRONEN".
Die Erfindung gehört zum Bereich der Kernenergietechnik, bezieht sich auf die Entwicklung eines Konverter-Reaktors für thermische Neutronen mit einem geschmolzenen Uran-Plutonium-Brennstoff mit einem mittleren Brutfaktor, der den Selbstunterhalt mit Brennstoff sicherstellt. Der Konverter-Reaktor für thermische Neutronen in Kanalbauweise besteht aus einem Niederdruckgehäuse, in dem sich die aktive Zone befindet, welche aus den Vertikalsäulen des
Seitenreflektors und des Moderators besteht, wobei in die zentralen Öffnungen der Moderatorsäulen die technologischen Kanäle (TK) für den Durchfluss des Wärmeträgers eingelassen sind, in welchen wiederum die Brennelemente (TVS) mit den Brennstäben (TVEL) untergebracht sind. Das Niederdruckgehäuse des Reaktors ist aus einer innen mit einem schützenden Bornitrid- Verbundstoff ausgerüsteten hochfesten Titanlegierung und mit einem Polysilasan basierten Wärmeträger gefüllt, in den die aktive Zone eingetaucht ist. Der Innenraum der Brennstäbe der in den technologischen Kanälen des Moderators untergebrachten Brennelemente ist mit der Uran-Plutonium-Schmelze gefüllt. Die oberen Enden der Brennstäbe werden in den Spaltproduktsammlern der Brennelemente zusammengeführt. Die Enden der Brennstäbe kommunizieren mit dem Hohlraum des Brennelements, der mit dem offenen Hohlraum über dem Brennstoff kommuniziert, mit dem er denselben Druck hat. In der vorgeschlagenen
Reaktorkonstruktion kommt ein niedrig angereichertes Gemenge von Brutstoff und spaltbaren Uran- und Plutoniumisotopen zur Anwendung, in dem der Anteil der spaltbaren Isotopen maximal so hoch ist wie im abgearbeiteten Brennstoff (OJaT) aus Leichtwasserreaktoren, weshalb der Reaktor keiner Produkte aus einem äusseren Brennstoffzyklus bedarf.
Bekannt ist der Natrium-Graphit-Reaktor SGR (Nebraska, USA. P.A. Lavrov. Jadernye energeticeskie ustanovki (Kernenergieanlagen). Gosenergoizdat.
Moskau 1958. S. 209).
Der Reaktor für thermische Neutronen in Kanalbauweise besteht aus einem Niederdruckgehäuse, in dem sich die aktive Zone befindet, welche aus den Vertikalsäulen des Seitenreflektors und des Moderators besteht, wobei in die zentralen Öffnungen der Moderatorsäulen die technologischen Kanäle (TK) für den Durchfluss des Wärmeträgers eingelassen sind, in welchen wiederum die Brennelemente (TVS) mit den Brennstäben (TVEL) untergebracht sind.
1
BESTÄTIGUNGSKOPIE Brennstoff ist metallisches Uran legiert mit Molybdän, auf 3 % angereichert und mit einem Brutfaktor von ca. 0,7. Der Graphitmoderator besteht aus
Sechskantblöcken in 0,9 mm dicken Zirkoniumhüllen zum Schutz des Graphits vor Tränkung durch das Natrium. Die Brennstäbe befinden sich in Hüllen aus rostfreiem Stahl mit einer Dicke von 0,25 mm. Der gute thermische Kontakt zwischen dem Brennelementekern aus Uran und der Hülle wird dadurch erreicht, dass der Spalt zwischen ihnen mit flüssigem Natrium oder Natrium-Kalium ausgefüllt ist. Der obere Teil der Hülle ist mit Helium gefüllt. Das Reaktorgehäuse und die Stützen sind aus rostfreiem Stahl. Der Wärmeträger (Natrium) wird aus dem unteren Teil des Reaktorgehäuses über die Röhren der technischen Kanäle und durch die 11,25 mm grossen Zwischenräume zwischen den Graphitblöcken eingespeist. Der genannte Reaktor hat folgende Nachteile:
1. Der rostfreie Stahl der Brennstabhüllen reagiert nur bis zu einer
Temperatur von 650 °C nicht mit dem Uran.
2. Die Zirkonium-Schutzhülle auf den Graphitblöcken ist ein parasitärer Neutronenabsorber.
3. Das feste Uran akkumuliert während des Betriebs Spaltprodukte, die Neutronen absorbieren und den Reaktor vergiften, was bei einem Schmelzen des Brennstoffs zu einer plötzlichen Druckerhöhung führt, zum Austritt gasförmiger Produkte und zu einem Reaktivitätssprung.
4. Bei Uran gibt es verschiedene Phasenumwandlungen mit
unterschiedlicher Packungsdichte, bei Temperaturänderungen neigt es daher zu Verwerfungen und zur Bildung eutektischer Reaktionen mit den in ihm
akkumulierten Spaltprodukten.
5. Der hermetische Verschluss des Brennstabs verhindert die Entfernung der flüchtigen und gasförmigen Spaltprodukte, was den Druck im Innern der Hülle erhöht und bei einer Schmelze des Brennstoffs zu ihrer Zerstörung und zum Ausstoss der Spaltprodukte in den Wärmeträger führt.
6. Kommt das leicht schmelzende Natrium (Siedepunkt 883 °C) mit dem geschmolzenen Uran-Plutonium-Brennstoff in Kontakt, reagiert es mit dem im Brennstoff gelösten Sauerstoff und Stickstoff, wobei wegen des exothermischen Charakters der Reaktionen eine grosse Menge Wärme frei wird, wodurch nun das Natrium radioaktiv wird und die Anlagen und die Rohrleitungen des Reaktors "verschmutzt", d. h. die Radioaktivität erhöht.
7. Die Materialien der aktiven Zone des Reaktors haben einen hohen
Absorptionsquerschnitt, weshalb der erzielte Brutfaktor nicht für die Selbstversorgung, des Reaktors mit Kernbrennstoff reicht.
Der vorgeschlagenen Erfindung kommt seinem technischen Prinzip nach der Konverter-Reaktor Gebrauchsmuster 56048 vom 03.05.2006 am nächsten, bei dem der Brennstab aus einem Verbundstoff aus 95 - 80 Vol.%. nB15N und 5-20 Vol.% ß-SiC-Whiskern besteht und während des Betriebs mit flüssigem Uran- Plutonium-Brennstoff und 7Li- Wärmeträger in Kontakt steht. Die oberen Enden der Brennstäbe kommunizieren mit dem Hohlraum des Brennelements und dem Hohlraum über dem Brennstoff und dem Gaskissen des Reaktors, über welches die leicht flüchtigen Spaltprodukte ständig ausgeschieden werden, während der Sammler mit einem Speicher für die Neutronen absorbierenden nichtflüchtigen Spaltprodukte ausgerüstet ist.
Der genannte Konverter-Reaktor zeigt als Prototyp folgende Nachteile:
1. niedrige Festigkeitswerte der Brennstabtiegel aus hexagonalem mit ß-SiC- Nanodrähten bewehrtem Bornitrid, insbesondere bei Schlag- und Feuerfestigkeit,
2. hohe Affinität des Lithium- Wärmeträgers zu Sauerstoff und Stickstoff bei grosser Reaktionsexothermie, was zu einer nicht zu steuernden
Temperaturerhöhung im Brennelement führen kann,
3. der Spaltproduktsammler für die leicht flüchtigen Produkte und die mit niedrigem Dampfdruck ist weder konstruktiv noch auf Grund der Art des
Materials fixiert,
4. es gibt keinen Vorschlag für einen Mechanismus zur Evakuierung der Spaltprodukte aus dem Konverter-Reaktor sowohl konstruktiv als auch nach Art des verwendeten Materials,
5. das stählerne Niederdruckgehäuse, das die im Reaktorbetrieb entstehenden Defekte aufnehmen muss, weist eine erhöhte Anfälligkeit für über durch
Dislozierungen entstehende Abflüsse, Mikrorisse usw. entweichende Aerosole auf des Wärmeträgers Li.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines mit flüssigem Uran-Plutonium- Brennstoff arbeitenden Konverter-Reaktors, bei dem der mittlere Brutfaktor des Brennstoffs für eine Selbstversorgung mit Brennstoff ausreicht und der frei von den weiter oben genannten Mängeln ist. Die sich aus der Erfindung ergebende technische Lösung besteht darin, dass in der vorgeschlagenen
Reaktorkonstruktion ein niedrig angereichertes Gemenge von Brutstoff und spaltbaren Uran- und Plutoniumisotopen verwendet wird, in dem der Anteil der spaltbaren Isotopen maximal so hoch ist wie im abgearbeiteten Brennstoff (OJaT) aus Leichtwasserreaktoren, weshalb der Reaktor keiner Produkte aus einem äusseren Brennstoffzyklus bedarf.
Die gestellte Aufgabe wird wie folgt gelöst. Der Konverter-Reaktor in
Kanalbauweise verfügt über ein Niederdruckgehäuse aus einer hochfesten Titanlegierung, die während des Reaktorbetriebs nicht radioaktiv wird, eine in diesem Gehäuse untergebrachte aktive Zone, welche aus den Vertikalsäulen des Seitenreflektors und des Moderators besteht, wobei in die zentralen Öffnungen der Moderatorsäulen die technologische Kanäle (TK) für den Durchfluss des Wärmeträgers eingelassen sind, in welchen wiederum die Brennelemente (TVS) mit den Brennstäben (TVEL) untergebracht sind. Das Gehäuse ist von innen mit einem Bornitrid- Verbundstoff geschützt. Die oberen Enden der Brennstäbe werden im Spaltproduktsammler des Brennelements zusammengeführt. Der Moderator und der Reflektor sind aus einem nB15N-basierten nanostrukturiertem Verbundstoff, verstärkt mit Nanodrähten aus ß-SiC und nanodispersiven Partikeln aus kubischem nB15N und mit Helium angereichert. Der Spaltproduktsammler des Brennelements enthält sowohl ein nanoporöses Sorptionsmaterial zur Extraktion von gasförmigen Produkten und solchen mit hohem Dampfdruck aus dem Spiegel der Uran-Plutonium-Schmelze als auch ein Sorptionsmaterial für die Spaltprodukte mit niedrigem Dampfdruck, welches einen niedrigen
Energieumsatz aufweist bei der Bildung fester Lösungen, von Verdrängungs- und Einlagerungsmischkristallen u. Ä., deren Affinität zum Absorbens viel höher ist als die zur Brennstoffschmelze. In den technologischen Kanälen sind die
Brennelemente mit den Brennstäben untergebracht, wobei die Brennelemente Tiegel mit blindem unteren und offenem oberen Ende sind, in deren Innern sich die Uran-Plutonium-Schmelze mit einer Temperatur von 700 - 1150 °C befindet und aussen der Polysilasan-basierte Wärmeträger. Die vorgeschlagene Erfindung löst die wichtigsten Probleme der nuklearen Energieerzeugung:
- nukleare Sicherheit: kein hoher Druck im Wärmeträger des Primärkreislaufs, niedriger Reaktivitätsüberschuss am Anfang, Homogenität des Brennstoffs über das gesamte Volumen, hohe thermische Trägheit der aktiven Zone, minimale Brennstoffabfalle,
- Strahlensicherheit: keine induzierte Radioaktivität des als Wärmeträger dienenden Polysilasans, niedrige Radioaktivität des Brennstoffs, ständige Abfuhr der Spaltprodukte aus der aktiven Zone,
- fast vollständige Nutzung der Spalt- und Brutkomponenten des Brennstoffs, d. h. eine wesentliche Verringerung der zu entsorgenden verbrauchten Brennstoffe,
- niedrige anfängliche Anreicherung: kein Überlasten des Reaktors; der geschlossene Brennstoffkreislauf ohne äussere Produktion löst das Problem der Nichtverbreitung von Kernwaffen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Konverter-Reaktor bestehend aus einem Niederdruckgehäuse, in welchem sich die aktive Zone befindet, welche aus den Vertikalsäulen des Seitenreflektors und des Moderators besteht, wobei in die zentralen Öffnungen der Moderatorsäulen die technologischen Kanäle (TK) für den Durchfluss des Wärmeträgers eingelassen sind, in welchen wiederum die Brennelemente (TVS) mit den Brennstäben (TVEL) untergebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Niederdruckgehäuse des Reaktors aus einer innen mit einem schützenden Bornitrid- Verbundstoff ausgerüsteten hochfesten Titanlegierung und mit einem Polysilasan-basierten Wärmeträger gefüllt ist, in den die aktive Zone eingetaucht ist, dass der Innenraum der Brennstäbe der in den technologischen Kanälen des Moderators untergebrachten Brennelemente mit der Uran-Plutonium-Schmelze gefüllt ist, dass die oberen Enden der Brennstäbe in den Spaltproduktsammlern der Brennelemente zusammengeführt werden und die Enden der Brennstäbe mit dem Hohlraum des Brennelements kommunizieren, der mit dem offenen
Hohlraum über dem Brennstoff kommuniziert, mit dem er denselben Druck hat.
2. Konverter-Reaktor für thermische Neutronen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllen der Brennstäbe, Brennelemente, technologischen Kanäle und der Moderator aus einem aus einem nB15N-basierten
nanostrukturierten Verbundstoff bestehen, einem mit Nanodrähten aus ß-SiC und nanodispersiven Partikeln aus kubischem nB15N verstärkten und mit Helium angereicherten Stoff folgender Zusammensetzung:
nBI5N 93-79 Vol.%
kubisches nB15N 1-3 Vol.%
ß-SiC 5-15 Vol.%
He 1-3 Vol.%.
3. Konverter-Reaktor für thermische Neutronen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Polysilasan-basierte Wärmeträger folgende
stöchiometrische Zusammensetzung hat: Si3 15N3C12D22-
4. Konverter-Reaktor für thermische Neutronen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein SiAlON-basiertes nanoporöses Sorbens für die ständige Abfuhr der gasförmigen Spaltprodukte und der Spaltprodukte mit hohem
Dampfdruck sorgt.
5. Konverter-Reaktor für thermische Neutronen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ständige Abfuhr der Spaltprodukte mit niedrigem Dampfdruck aus dem Spiegel der Uran-Plutonium-Schmelze von einem
Sorptionsmaterial übernommen wird mit geringem Energieumsatz bei der Bildung fester Lösungen, Verdrängungs- und Einlagerungsmischkristallen u.Ä., deren Affinität zum Speichermaterial höher ist als die zur Brennstoffschmelze.
EP11826178.3A 2011-12-21 2011-12-21 Konverter - reaktor f1jr thermische neutronen Withdrawn EP2641249A1 (de)

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EP (1) EP2641249A1 (de)
WO (1) WO2013011350A1 (de)

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