NO131026B - - Google Patents

Description

Termisk atomreaktor.

Foreliggende oppfinnelse angår styr-ingen av termiske atomreaktorer som bruker naturlig brennstoff, f. eks. naturlig uran. Ordet «naturlig» skal ikke tas abso-lutt bokstavelig og skal dekke lett anrikete brennstoffer og brennstoffer som normalt klassifiseres sammen med dem, f. eks. brennstoff med torium-U 233 hvor inn-holdet av U 233 ligger i området noen få prosent.

Det er vel kjent at termiske atomreaktorer blir forgiftet med fisjonsprodukter eller datter-nuklider frembragt ved nedbryting av fisjonsprodukter. Den viktigste gift er xenon 135 frembragt ved nedbryting av det direkte f isj onsprodukt tellur 135 på følgende måte

Xenon 135 har et absorbsjonstverrsnitt for termiske neutroner på ca. 3,5 x 10" barn, meget større enn for noen annen av de gifter som frembringes.

Når reaktoren er i drift, holder konsentrasjonen av xenon 135 i reaktoren seg på en likevektsverdi. Nuklidet frembringes stadig men blir også stadig fjernet vesent-lig på grunn av omdannelse til xenon 136 ved absorbering av termiske neutroner og i mindre grad på grunn av naturlig nedbryting. Reaktoren må ha tilstrekkelig reaktivitet i overskudd til den som ville trenges hvis det ikke var noen forgiftning med xenon 135 for å skaffe de termiske neutroner som forbrukes for å opprettholde denne likevektsverdi. Forbruket av brennstoff er således større enn det ville være hvis det ikke var noen forgiftning med xenon 135 og prisen på den energi som frembringes ved hjelp av reaktoren blir tilsvarende høyere. Da imidlertid forgiftning med xenon 135 ikke kan forhindres må dette økonomiske tap tåles.

Foreliggende oppfinnelse angår en annen side av forgiftning med xenon 135, nemlig den forgiftning som finner sted når en reaktor ikke er i drift. Etter stansing blir det ikke lenger fjernet noe xenon 135 ved absorbering av termiske neutroner. Jod 135 som allerede er blitt dannet fra det direkte f isj onsprodukt tellur 135 nedbrytes fortsatt og frembringer mer xenon 135. Da det fjernes mindre xenon 135, begynner konsentrasjonen av xenon 135 å stige og fortsetter å stige inntil den når et maksimum. Etter å ha nådd dette maksimum, hvor det frembringes like meget xenon 135 fra jod 135 som det tapes xenon 135 ved nedbryting av xenon 135 til cæslum 135, avtar konsentrasjonen av xenon 135 igjen gradvis. Maksimalverdien kan passende betegnes spissforgiftningen med xenon 135. Den tid som forløper fra reaktoren er stanset til spissforgiftningen nås er tilnærmet elleve timer og den tid forgiftnin-gen trenger for å avta fra spissverdien til en verdi som er ekvivalent med den likevektsverdi som foreligger under normal drift av reaktoren kan være omtrent 40 timer. En reaktor har i alminnelighet tilstrekkelig reaktivitet i tillegg til den som trenges for å opprettholde stasjonær til-stand og det er bare ved å gjøre bruk av slik reaktivitet til å overvinne den negative reaktivitet som utgjøres av overskuddet av xenon 135 over likevektsverdien at reaktoren igjen kan settes igang. Størrelsen a\ dette overskudd av xenon 135 vil av-henge av hvor lang tid som er gått siden stansingen, slik som forklart, og av utførel-sen av reaktoren og det energinivå hvor reaktoren har arbeidet før stansingen.

Hvis reaktoren ikke har tilstrekkelig overskudd av reaktivitet til å overvinne den negative reaktivitet som representeres av spissforgiftningsverdien, kan reaktoren bare settes igang igjen enten i løpet av en kort tid etter stansing, men før spissforgiftningen nås eller på et tidspunkt etter at spissforgiftningen er passert og for-giftningen er avtatt tilstrekkelig meget på grunn av nedbrytningen av xenon 135. I forskningsreaktorer kan en slik situasjon i alminnelighet tåles, selv om den medfører vanskeligheter. Alternativet, som er å sørge for tilstrekkelig overskuddsreaktivitet til å overvinne spissforgiftningsverdien, gj ør det nødvendig å bruke meget mere brennstoff og er meget kostbar men blir allikevel brukt noen ganger.

Når det gjelder reaktorer som skal av-gi energi for salg, er det av meget større betydning at reaktoren er i stand til å sette igang etter å være stanset straks den feil er rettet som var grunnen til stansingen. Hvis reaktoren er blitt så forgiftet at for-giftningen ikke kan overvinnes ved hjelp av det overskudd av reaktivitet som er tilstede, ville reaktoren måtte stå ute av drift i flere dager og et forsyningsnett som er basert på en slik reaktor ville være for upålitelig.

Det eer derfor vanlig praksis å sørge for at en reaktor har et reaktivitetsoverskudd som gjør det mulig å sette den igang etter stansing. Det er uøkonomisk å sørge for at det er tilstede et reaktivitetsoverskudd som er så stort at igangsetting kan foretas på hvilket som helst tidspunkt etter stansing, d. v. s. selv ved spissnivået for xenonforgiftning. Da de fleste feil i en reaktor eller dens tilhørende elektriske generator- og fordelingssystem enten kan rettes temmelig raskt eller tar lang tid, f. eks. en dag eller mere, er det normalt an-sett nok om igangsetting kan foretas i løpet av en halv time etter stansingen idet det brukes et reaktivitetsoverskudd på ca. 10 milli-k.

Den omstendighet at det er nødvendig å ha tilstede en reserve reaktivitet for å overvinne xenonforgiftning etter stansing, nedsetter økonomien for en reaktor. Et viktig trekk i denne økonomi er hvilken oppbrenningsgrad for brennstoffet som kan oppnås. Den oppbrenning som oppnås i en reaktor som arbeider med naturlig eller svakt anriket uran er avhengig av den opp-rinnelige reaktivitetsreserve. Oppbrennin-gen blir i alminnelighet definert som me-gawattdager frembragt ved hjelp av et tonn brennstoff, d. v. s. energi pr. masse-enhet. Reaktivitet tapes ved to prosesser: 1) synking i netto antall fisjonerbare ato-mer (plutonium 239 eller uran 233 kan frembringes) og 2 ) akkumulering av fisjonsprodukter som oppfanger neutroner.

På grunn av den komplikasjon som be-virkes ved xenonforgiftningen etter stansing, har det vært nødvendig å hindre at reaktiviteten for en termisk reaktor synker under en minste verdi som innebærer den margin som er nødvendig for å overvinne xenonforgiftningen ved ny igangsetting av reaktoren. Forskjellen mellom denne min-steverdi og den minste verdi som ville kunne tillates hvis det ikke ble tatt hen-syn til xenonforgiftning, representerer

«spill»-reaktivitet, idet spillet gir seg ut-trykk i at det er nødvendig å bytte ut

brennstoffelementer før utløpet av deres

teoretisk nyttige levetid. Den mengde re-servereaktivitet som trenges for å kunne

foreta en igangsetting i løpet av en halv time etter stansing kan gå opp i ca. 10 milli-k. En spill-reaktivitet av denne stør-relsesorden vil som følge av forminsket oppbrenning av brennstoffet, d. v. s. ved at brennstoffelementer skiftes oftere enn det ellers ville være nødvendig, medføre betrak-telige omkostninger. Disse omkostninger gjenspeiler seg selvsagt i prisen på den energi som frembringes ved hjelp av reaktoren.

Det er klart at muligheten for å bruke atomreaktorer for fremstilling av energi til en pris som er så noenlunde konkurrer-ende med prisen på energi som er frem-stilt på vanlig måte er avhengig av om det er mulig å unngå eller sterkt nedsette den kapital og de årlige omkostninger som føl-ger med bygging av atomreaktorer. Den omstendighet at det er nødvendig å velge mellom en reaktor med stor spillreaktivitet og en økonomisk reaktor som når den først er stanset kan være ute av drift i mange dager er en alvorlig hindring på veien mot billig atom-energi.

Foreliggende oppfinnelse går ut på en fremgangsmåte for mer økonomisk styring, omfattende igangsetting, drift, stansing og gjenstarting av en termisk tungtvanns atomreaktor hvor det i reaktorkjernen, som består av naturlige uranbrennstoffer, er sørget for et overskudd av reaktivitet, idet reaktoren drives med naturlig eller lett anriket uran-brennstoff i en mengde som er tilstrekkelig til reaktorens normale drift, men ikke tilstrekkelig til å overvinne virkningen av den xenonforgiftning som etter at reaktoren er stanset etter en driftsperiode bygger seg opp til en verdi som er større enn under drift, og under gjenstarting etter stans får supplert reaktiviteten for brennstoffet i en mengde som er tilstrekkelig til å overvinne den xenonforgiftning som er nådd under stansen.

I henhold til oppfinnelsen er dette opp-nådd ved at det i reaktoren innføres et reserve brennstoffelement som omfatter i det vesentlige rent fisjonerbart material og som trekkes ut av reaktoren når denne er kommet i drift igjen.

Uttrykket «rent fisjonerbart material» skal omfatte fisjonerbart material, f. eks. uran 235 som er forholdsvis ufortynnet med annet material med stort absorbsjonstverrsnitt for neutroner, f. eks. uran 238, og: ordene «omtrent rent» skal ikke tas for bokstavelig. Det omtrent rene fisjonerbare material kan benyttes i form av en legering av materialet med et metall med lite neutron-absorbsjonstverrsnitt og med tilfredsstillende korrosj onsmotstand og mekaniske egenskaper, f. eks. aluminium, magnesium eller zirkonium. Av en slik legering kan det fremstilles elementer med den form, f. eks. plater, staver eller rør, og størrelse som måtte være best egnet for bruk i vedkommende reaktor-type.

Det omtrent rene fisjonerbare material, som fortrinnsvis er rent eller nesten rent uran 235, men som også eksempelvis kan være uran 233 eller plutonium 239, føres inn i reaktoren i løpet av den tid som er nødvendig for overvinne xenonforgiftningen. Når først reaktoren er kommet igang igjen kan det fisjonerbare material snart tas ut igjen da konsentrasjonen av xenon 135 ved neutronabsorbering raskt nedsettes til likevektsnivået. Det er ves-entlig at dette omtrent rene fisjonerbare material tas ut, da det forbrukes meget raskt.

Hvor meget overskuddsreaktivitet som må skaffes ved hjelp av «vakt»-kilden avhenger av egenskapene for den enkelte reaktor. I alminelighet er den av størrelses-ordenen 10—15 milli-k. Det kan godt være, det avhenger av den økonomiske grense.

Oppfinnelsen skal nå bekrives ved hjelp av et utførelseseksempel, under hen-visning til vedføyete tegninger. Fig. 1 viser et grunnriss av en kjerne-reaktor. Fig. 2 viser et snitt etter linjen A-A i

fig. 1.

Fig. 3 viser et snitt etter linjen B-B i

fig. 1.

Fig. 4 viser et perspektivriss av den

reaktor som er vist i fig. 1, 2 og 3.

Den reaktor som er vist på tegningene er en heterogen termisk reaktor som bruker naturlig eller lett anriket uran som brennstoff og tungtvann som moderator. Tegningene er bare skjematiske og viser ikke alle utførelsesdetalj er, men bare de som er ønskelige for å beskrive hvorledes foreliggende oppfinnelse kan bringes til utførelse.

Den reaktor som er vist omfatter et reaktorkar 1 hvor det er anordnet et antall brennstoff rør 2. Et reflektorkar 3 omgir reaktor karet 1. Reaktorkar et 1 inneholder tungtvann som moderator, idet reaktiviteten for reaktoren styres ved innstilling av tungtvannivået i karet 1. Moderatoren må

holdes kold og blir stadig ført rundt

gjennom en liten varmeutveksler. Innstilling av moderatornivået gjør det mulig å variere reaktiviteten for reaktoren opp til en maksimal verdi som er litt større enn den reaktivitet som trenges for å opprettholde stø drift av reaktoren. Når oppbren-ningen når likevektsverdien, er overskudds-reaktiviteten en liten brøkdel av en milli-k.

(antatt konstant lading og forbruk) når

alle brennstoffrørene 2 inneholder brennstoffelementer slik som de gjør under normal drift.

Kjølemidlet, også tungtvann, føres

rundt gjennom brennstoffrørene 2;

På toppen av reaktoren 1 og tettet mot dette er det anbragt et gasstett kammer 4

som inneholder helium under nær atmos-færetrykk. Inne i kammeret 4 ligger ut-styret for styring av en «vakt»-reaktivitetsreserve som utgjøres av fire plater 5 som består av en. legering av aluminium og uran 235 som inneholder, tilnærmet 20; mg. uran 235 pr. cm<2>. Hver av platene 5 er kledd med aluminium. Tilsammen repre-

senterer platene 5 en kilde for overskuddsreaktivitet på 10-milli-k, d. v. s. 2,5 milli-k fra hver plate.

Platene 5 kan beveges i føringer 6 som strekker seg fra innsiden av kammeret 4, gjennom en sliss 7 i reflektorkaret 3 og reaktorkaret 1 til midten av reaktorkaret 1. Løfting og senking av platene 5 i føringene 6 foregår ved hjelp av løftetau 8 som er festet til platene 5 og viklet rundt rillete tautromler 9 som drives ved hjelp av elek-tromotorer 10. Det er anordnet anvisnings-innretninger 11 for å anvise stillingen av platene i føringene 6. Disse innretninger drives herunder ved hjelp av drivanord-ningen fra tromlene 9.

Når reaktoren er i normal drift, er platene 5 anbragt fullstendig inne i kammeret 4 og ute av reaktorkaret 1 slik at de ikke bidrar til reaktiviteten for reaktoren. Hvis reaktoren skal settes igang igj en etter stansing, blir platene 5 senket ned i reaktorkaret 1, i alminnelighet helt til bunnen av føringene 6 slik at platene er midt i reaktoren hvor de utøver maksimal effekt selv om de kan senkes til en høyere stilling enn denne hvis driftserfaring viser at det er å foretrekke eller hvis det foreligger lite xenonforgiftning. Da platene kan påvirkes hver for seg er det også mulig å senke ferre enn alle fire hvis dette skulle ønskes av en eller annen grunn. Den nødvendige kjøling av platene 5 opnåes ved at platene dyppes ned i moderatoren, konveksjon og muligens litt fri koking fjerner lett den varme som frembringes.

Platene 5 holdes inne i reaktorkaret 1 inntil reaktoren igjen settes igang. De kan snart trekkes tilbake til kammeret 4, for så snart reaktoren er igang igjen ødelegger den høye neutronfluks raskt overskuddet av xenon 135.

Oppfinnelsen kan med fordel tilpasses hvilken som helst termisk reaktor hvor brennstoff-forbruket representerer en merkbar brøkdel av driftsomkostningene. Dette betyr i sin alminnelighet reaktorer som bruker naturlige brennstoffer eller svakt anrikete naturlige brennstoffer og brennstoffer som kan klassifiseres sammen med dem, f. eks. brennstoffer med.torium-uran 233.

Det må sørges for riktig kjøling av de elementer som inneholder det omtrent rene fisjonerbare material når de er inne i reaktoren. I en reaktor som bruker tungtvann som moderator kan eksempelvis ele-mentene dyppes i moderatoren, slik som beskrevet ovenfor.

Oppfinnelsen er her beskrevet spesielt i forbindelse med heterogen reaktor. Den kan imidlertid også tilpasses homogene reaktorer som bruker naturlige brennstoffer. Slike reaktorer kan ennå ikke sammen-lignes økonomisk med heterogene reaktorer men de kan komme til å kunne det i frem-tiden. Når oppfinnelsen tilpasses en ho-mogen reaktor kan det omtrent rene fisjonerbare material i fast form innføres kort-varig i midten av reaktoren for å overvinne xenonforgiftningen.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte for mer økonomisk styring, omfattende igangsetting, drift, stansing og gj en-starting av en termisk tungtvanns atomreaktor hvor det i reaktorkjernen er sørget for et overskudd av reaktivitet, idet reaktoren drives med naturlig eller lett anriket uran-brennstoff i en mengde som er tilstrekkelig til reaktorens normale drift, men ikke tilstrekkelig til å overvinne virkningen av den xenonforgiftning som etter at reaktoren er stanset etter en driftsperiode bygger seg opp til en verdi som er større enn under drift, og under gjenstarting etter stans får supplert reaktiviteten for brennstoffet i en mengde som er tilstrekkelig til å overvinne den xenonforgiftning som er nådd under stansen, karakterisert ved at det i reaktoren innføres et reserve brennstoffelement som omfatter i det vesentlige rent fisjonerbart materiale og som trekkes ut av reaktoren når denne er kommet i drift igjen.

2. Fremgangsmåte som angitt i på-stand 1, karakterisert ved at det nærmest rene fisjonerbare material er uran 233, omtrent ren uran 235 eller plutonium 239.

3. Fremgangsmåte som angitt i på-stand 1, karakterisert ved at inn-føringen av det fisjonerbare material øker reaktiviteten for reaktoren med 5—15 milli-k.