DE1175370B - Verfahren zum Regeln und Betrieb eines homogenen Kernreaktors - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: G 21

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 21g-21/31

A 36313 VIII c/21g
17. Dezember 1960
6. August 1964

Die Erfindung geht von einem homogenen Siedereaktor mit einem Reaktorgefäß aus, das einen Moderator in Form einer Flüssigkeit sowie ein in mindestens einem Teil des Moderators gelöstes oder dispergiertes spaltbares Material enthält, und zwar von einem Reaktor, der Dampf aus dem Moderator erzeugt, dessen Wärmeinhalt während der Kondensation des Dampfes in einem primären Dampfkreis verwertet wird.

Ein homogener Kernreaktor erzeugt während des Betriebes Dampf, der unter Verwertung der dabei frei werdenden Wärme kondensiert wird. Der Dampf bildet sich im Reaktorgefäß, in dem sich die Brennstoffmischung befindet, durch Verdampfung des Moderators. Die Wärme wird in Kondensatoren abgegeben. Diese Kondensatoren, gegebenenfalls vorhandene Rekombinatoren für Radiolysegas und andere Anordnungen, durch welche der Dampf oder ein Teil des Dampfes geleitet wird, sowie zu ihnen gehörige Zufuhrleitungen für Dampf und Rückleitungen für Kondensate bilden zusammen ein System, das im folgenden der primäre Dampfkreis des Reaktors genannt wird.

Homogene Siedereaktoren haben große Vorteile, verglichen mit anderen homogenen Reaktoren, bei denen die Reaktorflüssigkeiten durch Wärmeaustauscher zirkulieren. Zu diesen Vorteilen gehört, daß die radioaktive Lösung oder Dispersion im Reaktorgefäß und in den Apparaturen für die Zubereitung des Brennstoffes völlig eingeschlossen ist und nicht mit den Wärmeübertragungsflächen in Kontakt kommt, daß Zirkulationspumpen wegfallen können, daß der thermische Wirkungsgrad höher ist und daß das Risiko von plötzlichen Leistungsanstiegen gering ist auf Grund der schnellen Selbststabilisierung bei plötzlichen Reaktivitätsänderungen. Die homogenen Siedereaktoren haben jedoch wenig Interesse gefunden, vor allem wegen der Start-, Betriebs- und Abstellschwierigkeiten, die damit zusammenhängen, daß Reparatur und Austausch von beschädigten Apparaten, wie Dosierpumpen, Regelventilen oder anderen erforderlichen Ausrüstungen, für die Prozeßkontrolle in Kontakt mit Brennstoffkompositionen sehr kompliziert sind und eine sehr lange Abstellzeit des Reaktors benötigen können. Die Ursache dafür ist die unerhört starke Radioaktivität der Brennstoffmischung. Weil Brennstoffe in Form von Lösungen von denkbarem spaltbarem Material in Wasser bei Kontakt mit säurefestem Stahl und bei den sauerstoffarmen Bedingungen, die in einem siedenden Kern herrschen, instabil sind, war man auf Brennstoffe in Form von Dispersionen angewiesen. Die Anwen-Verfahren zum Regeln und Betrieb eines
homogenen Kernreaktors

Anmelder:

Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget,

Västeräs (Schweden)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Missling, Patentanwalt,

Gießen, Bismarckstr. 43

Als Erfinder benannt:

OHe Lindström, Västeräs (Schweden)

Beanspruchte Priorität:

Schweden vom 22. Dezember 1959 (12 059)

dung von solchen Dispersionen bringt jedoch weitere Schwierigkeiten auf Grund des Risikos der Sedimentation und Verstopfung mit sich.

Bei heterogenen Schwerwasserreaktoren ist es bekannt, den Betrieb durch Einstellung des Moderatorniveaus im Reaktorgefäß zu regeln. Die Moderatorkammer wird dabei in Verbindung mit einem Zusatzgefäß gesetzt, und das Moderatorniveau wird durch Regeln des Druckes im Zusatzgefäß eingestellt.

Die Erfindung befaßt sich mit der Lösung der Probleme, die beim Betrieb und der Regelung homogener Siedereaktoren auftreten. Es wird bei dem vorliegenden Verfahren zum Regeln und Betrieb eines homogenen Kernreaktors der vorher erwähnten Art erfindungsgemäß das Reaktorgefäß mit mindestens einem unterkritischen Zusatzgefäß in kommunizierende Verbindung gesetzt und die Moderatormenge mit oder ohne Gehalt an spaltbarem Material zwischen dem Reaktor und jedem Zusatzgefäß durch Regelung des Druckes in den Gasphasen der entsprechenden Gefäße mit einem strömenden Gas verteilt, das über eine oder mehrere dias Zu&atzgefäß mit dem Reaktorgefäß oder dem primären Dampfkreis verbindende Leitungen, in denen zusätzliche Strömungswiderstände angeordnet sind, und wenigstens durch den primären Dampfkreis geleitet wird. Die bisher vorgekommenen Schwierigkeiten werden durch Regeln des Starts, Betriebs und der Abstellung der Reaktoren unter Anwendung eines Minimums an beweglichen Teilen vermieden, so daß der Teil der Apparatur, der in Kontakt mit dem

409 639/286

Brennstoff ist, keine Unterhaltungsarbeiten erfordert. Die Erfindung ermöglicht auch ein schnelles und sicheres Leeren des Reaktorgefäßes in Notlagen.

Das strömende Gas kann dabei von jedem Zusatzgefäß über eine einzige Leitung, die einen lokalisierten Strömungswiderstand enthält, zum Reaktorgefäß oder zu einem Punkt im primären Dampfkreis geleitet werden. Es kann vorteilhaft sein, das strömende Gas von jedem Zusatzgefäß in mehrere Ströme aufzuteilen, von denen der eine über eine einen lokalisierten Strömungswiderstand enthaltende Leitung zu einem Punkt im primären Dampfkreis geleitet wird und einer oder mehrere andere über andere Strömungswiderstände enthaltende Leitungen zu anderen Punkten im primären Dampf kreis oder zum Reaktorgefäß geleitet werden. In einem Reaktor, in welchem der Brennstoff im Reaktorgefäß beispielsweise durch Trennwände in Zonen verteilt ist, zwischen welchen eine Verschiebung der Flüssigkeit durch Öffnungen in den Wänden stattfinden kann, ist es zweckmäßig, gewisse Maßnahmen für die Rückleitung des Kondensats zum Reaktorgefäß zu treffen. Wenn der Brennstoff also z. B. in einer äußeren Zone (Reflektorzone), die den Moderator enthält, und einer inneren Zone (Kernzone), die denselben Moderator und darin gelöstes spaltbares oder dispergiertes Material und eventuell fertile Komponenten enthält, verteilt ist, ist es zweckmäßig, die bei der Kondensation des Dampfes erhaltene Flüssigkeit zum Reaktorgefäß in solcher Weise zu leiten, daß die beabsichtigte Verteilung des Brennstoffes aufrechterhalten wird. Das Kondensat kann zum Reaktorgefäß geleitet werden, entweder direkt oder auch über das Zusatzgefäß oder gleichzeitig auf beiden Wegen.

Unter unterkritischen Zusatzgefäßen versteht man Gefäße, die eine solche Form haben, daß die Brennstoffmenge darin nicht kritisch werden kann. Solche Gefäße sind verhältnismäßig langgestreckt. Der Ausdruck primärer Dampfkreis des Reaktors ist in der Beschreibungseinleitung definiert worden. Zusatzgefäße und für Moderator oder Brennstoff vorgesehene Verbindungsleitungen zwischen Reaktorgefäß und Zusatzgefäß werden nicht als zum Dampfkreis gehörig gerechnet, sondern bilden Zusatzanordnungen zum Reaktorgefäß. Jeder Strömungswiderstand hat zur Aufgabe, einen definierbaren und regelbaren Druckfall zu geben. Für die praktische Ausführung der Strömungswiderstände wird konventionelle Technik angewendet. Die einfachste Form dafür ist natürlich ein Drosselventil. Bei dieser Ausführung werden jedoch sehr große Anforderungen an die Betriebssicherheit gestellt. Man muß daher enge Querschnitte vermeiden und zieht Widerstände vor, bei denen der Durchflußquerschnitt verhältnismäßig groß ist. Der Widerstand in diesen wird durch Krümmungen erreicht.

Als strömendes Gas wird zweckmäßig ein Gas mit mit niedrigem Absorptionsquerschnitt für Neutronen gewählt, wie Deuterium, Helium und Sauerstoff; aber auch Wasserstoff, Stickstoff, Neon und Argon können mit Vorteil verwendet werden. Die Wahl des Gases wird von der chemischen Zusammensetzung des Reaktorkerns beeinflußt.

Die Anzahl der Zusatzgefäße hängt von der Größe des Reaktors und der Brennstoffzusammensetzung ab. Die Zusatzgefäße können verschiedene Funktionen haben. Einige Gefäße können für Grob- und Feinregelung der Brennstoffmenge vorgesehen sein, andere wieder für Brennstofflagerung während der Abstellung der Entnahme von Proben usw. Einige Zusatzgefäße können in einem gemeinsamen Druckhaltesystem parallel arbeiten, während andere unabhängig voneinander arbeiten können. Es ist zweckmäßig, die einzelnen Zusatzgefäße so anzuordnen, daß man sie bei Bedarf beliebig parallel schalten oder abschalten kann. In dieser Weise erreicht man eine maximale Flexibilität, und die Einteilung der Zusatzgefäße kann während des Betriebs mit Rücksicht auf verschiedene Betriebsbedingungen geändert werden. Die verschiedenen Zusatzgefäße werden mit Hinblick auf ihre Funktion ausgeführt. Man kann dabei vor allem ihren Durchmesser innerhalb des von der Kritizität bestimmten Rahmens variieren.

Die Erfindung ist näher an Hand der schematischen Zeichnungen (Fig. 1 bis 3) beschrieben, die als Beispiel verschiedene Anordnungen zur Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung zeigen. Damit die Figuren möglichst deutlich sind, ist nur eine kleine Anzahl Zusatzgefäße dargestellt worden.

F i g. 1 zeigt eine Anordnung, bei welcher alles strömende Gas von einem Zusatzgefäß zu einem Punkt im Reaktorgefäß strömt und gebildetes Kondensat zum Reaktorgefäß direkt und über das Zusatzgefäß zurückgeleitet wird;

F i g. 2 zeigt eine andere Anordnung, bei der das strömende Gas denselben Weg zurücklegt wie in F i g. 1 und das Kondensat zu einer äußeren Zone im Reaktorgefäß direkt und über ein Zusatzgefäß zurückgeleitet wird;

F i g. 3 zeigt eine Anordnung, bei der das strömende Gas teils zwei parallel geschaltete Zusatzgefäße passiert und teils ein von diesen beiden unabhängiges Zusatzgefäß. Nachdem das Gas jedes Zusatzgefäß passiert hat, wird es in zwei Ströme geteilt, von denen der eine zum Reaktorgefäß fließt und der andere zu einem Punkt in dem primären Dampfkreis.

Der siedende Kern 2 des Reaktorgefäßes 1, der einen Moderator enthält, in diesem Beispiel schweres oder leichtes Wasser, gibt in der Anordnung nach F i g. 1 Wasserdampf ab, der über die Leitung 3 in den Kondensator 4 aufsteigt. Der Dampf wird hier kondensiert und gibt seinen Wärmeinhalt an das bei 5 eingeführte und bei 6 abgeleitete sekundäre Kühlmittel ab. Das Kondensat wird teils direkt über die Leitung 7 und teils über das Zusatzgefäß 8 über die Leitungen 9 und 10 zum Reaktorgefäß zurückgeführt. Die Verteilung des Kondensats über diese Rückführwege wird mit den Ventilen 11 und 12 geregelt. Das von einer äußeren Druckquelle über die Leitung 13 zugeführte Gas passiert zuerst ein Regelventil 14 und danach das Zusatzgefäß 8, ehe es über die Leitung 15 mit dem zusätzlichen lokalisierten Strömungswiderstand 16 zum Reaktorgefäß gelangt. Im Reaktorgefäß wird es mit Dampf vermischt und folgt diesem zum Kondensator 4, von welchem es nach der Kondensation über die Leitung 17 mit ihrem Regelventil 18 als Restgas abströmt. In der Figur ist nur ein Kondensator 4 schematisch angedeutet, während in der Praxis der primäre Dampfkreis außer den in der Figur gezeigten Anordnungen 3, 4, 7, 9, 11 und 12 in der Regel mehrere Kondensatoren, Rekombinatoren, eventuelle Tropfen- und Nebelabscheider oder andere Anordnungen enthält, durch die Dampf, ein Teil des Dampfes oder Kondensat geleitet wird. Von der Leitung 17 strömt das Gas zu Anordnungen zum Unschädlichmachen von vorkommenden radio-

aktiven Bestandteilen. Die beschriebene Anordnung hat keine Komponenten mit beweglichen Teilen in Kontakt mit dem Brennstoff. Betriebsstörungen, wie Drucksteigerungen im Reaktorgefäß oder Druckausfall im Gaskreis, führen automatisch dazu, daß ein Teil des Brennstoffs vom Reaktorgefäß zum Zusatzgefäß übergeführt wird, wobei die Dampfproduktion aufhört. Das totale Volumen der verwendeten Zusatzgefäße muß so groß sein, daß der ganze Inhalt des Reaktorgefäßes an Moderator und Brennstoff bei Bedarf von diesen aufgenommen werden kann.

F i g. 2 zeigt eine Anordnung, die nur in bezug auf die Ausbildung des Reaktorgefäßes 1 von der in Fig. 1 beschriebenen abweicht. Der Brennstoff ist hier durch eine Trennwand 19 in zwei Zonen aufgeteilt, eine innere Kernzone 20, die einen Moderator mit zugehörigem Spaltmaterial und eventuell fertilem Material enthält, und eine einen Moderator enthaltende äußere Reflektorzone 21. In diesem Fall ist somit das spaltbare Material in einem Teil des im Reaktorgefäß befindlichen Moderators aufgelöst oder dispergiert. Das Kondensat wird so zurückgeleitet, daß die genannte Verteilung durch seine Einführung in die Reflektorzone aufrechterhalten wird. Auch die Einführung des Kondensats über das Zusatzgefäß 8 über die Leitung 10 trägt dazu bei, die gewünschte Verteilung aufrechtzuerhalten und verhindert, daß der Brennstoff bei normalem Betrieb von der Kernzone entfernt wird.

In den in Fig. 1 und 2 gezeigten Anordnungen, in denen das strömende Gas nahe an der Flüssigkeitsoberfläche in das Reaktorgefäß eingeführt wird, ist der Druckunterschied zwischen Reaktorgefäß und Zusatzgefäß unabhängig vom Dampfstrom im primären Dampf kreis unter der Voraussetzung, daß die übrigen Bedingungen, wie die Einstellung des Strömungswiderstandes und des Gasstromes durch das Ventil 14, unverändert gehalten werden. Wenn dagegen das strömende Gas statt zum Reaktorgefäß zu einem Punkt im primären Dampfkreis geführt wird mit einem Druck, der niedriger als der im Reaktorgefäß ist, entsteht unter den genannten Umständen ein Druckunterschied zwischen Reaktorgefäß und Zusatzgefäß, der teilweise auf der Dampfproduktion beruht. Bei gesteigerter Dampfproduktion nimmt der Druckunterschied ab, wobei die Flüssigkeit zurück in das Zusatzgefäß gepreßt wird.

F i g. 3 zeigt eine modifizierte Ausführungsform, in der die beiden früher beschriebenen Verfahren, den Gasstrom zum Reaktorgefäß bzw. zum primären Dampfkreis zu leiten, kombiniert werden, um die Möglichkeit einer optimalen Regelung zu bekommen. Gas von einem oder mehreren Zusatzgefäßen, in diesem Fall von den parallel geschalteten Gefäßen 22 und 23 bzw. von dem unabhängigen Gefäß 24, wird in mehrere Ströme geteilt, die jeweils Strömungswiderstände passieren, ehe sie zum Reaktorgefäß bzw. zu Punkten im primären Dampf kreis geführt werden. Vom Gasstrom durch die Zusatzgefäße 22 und 23 geht somit ein Strom durch den Widerstand 25 zu einem beliebigen Punkt 26 im primären Dampfkreis und ein Strom durch den Widerstand 27 zum Reaktorgefäß 1. Von dem unabhängigen Zusatzgefäß 24 geht ein Strom zum Punkt 28 über den Widerstand 29 und einer zum Reaktorgefäß 1 über den Widerstand 30. Der Punkt 26 hat einen niedrigeren Druck als der Druck über der freien Flüssigkeitsoberfläche im Reaktorgefäß. Dies ist durch den Widerstand 31 schematisch angedeutet. In derselben Weise wie die in den Fig. 1 und 2 beschriebenen Anordnungen wird das strömende Gas über Regelventile 32 und 33 zu den Zusatzgefäßen durch die Leitungen 34 und 35 geleitet. Die Kondensatleitung 9 ist in die Zweigleitungen 36, 37 und 38 mit zugehörigen Ventilen 39, 40 und 41 aufgeteilt. Die Verbindungsleitungen zwischen Zusatzgefäß und Reaktorgefäß sind mit 42, 43 und 44 bezeichnet. Die durch die Widerstände 27 und 30 geleiteten Gasströme brauchen nicht zum Reaktorgefäß zu führen, sondern können an andere Punkte im primären Dampfkreis als an die Punkte 26 bzw. 28 angeschlossen sein. In der Praxis wird in vielen Fällen eine große Anzahl Zusatzgefäße verwendet werden. Es ist auch möglich, mehr als die zwei Leitungen enthaltenden Widerstände für jedes Zusatzgefäß zu verwenden, um die Regelmöglichkeiten zu erhöhen.

Brennstoffzusammensetzungen, bei deren Anwendung das vorliegende Verfahren mit Vorteil benutzt werden kann, können sein unter anderem Aufschlämmungen von Thoriumoxyd in schwerem Wasser mit Zusatz von spaltbarem Material, wie U 233, U 235 und Pu 239 oder Lösungen von angereichertes Uran enthaltendem Uranylsulf at in schwerem oder leichtem Wasser. Im letzteren Fall muß das Reaktorgefäß mit einer Trennwand oder einem Schirm 19 gemäß der F i g. 2 oder 3 versehen sein, der z. B. aus Titan hergestellt ist, welches das Uranylsulfat nicht reduziert. Der geeignete Betriebsdruck liegt zwischen 30 bis 80 Bar, wenn der Dampf zur Produktion von elektrischer Kraft angewendet werden soll. In anderen Fällen kann ein niedrigerer Druck verwendet werden.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn von dem Reaktorgefäß gebildete Fissionsgase in dem Permaneiitgas aufgespeichert werden, das für die Regelung des Druckes im Reaktorgefäß und in den Zusatzgefäßen verwendet wird. In diesem Fall wird das Permanentgas zu dem in F i g. 1 bis 3 gezeigten System bei 13, 34 bzw. 35 von einer Permanentgasmasse zugeführt, die im Behälter aufbewahrt wird, und das Permanentgas wird dann nach Durchgang des Systems von den mit 17 bezeichneten Punkten zu der Gasmasse zurückgeführt.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Regeln und Betrieb eines homogenen Kernreaktors mit einem Reaktorgefäß, das einen Moderator in Form einer Flüssigkeit sowie ein in mindestens einem Teil des Moderators gelöstes oder dispergiertes spaltbares Material enthält, wobei der Kernreaktor Dampf aus dem Moderator erzeugt, dessen Wärmeinhalt während der Kondensation des Dampfes in einem primären Dampfkreis verwertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktorgefäß mit mindestens einem unterkritischen Zusatzgefäß in offen kommunizierende Verbindung gesetzt und die Moderatormenge mit oder ohne Gehalt an spaltbarem Material zwischen dem Reaktor- und dem Zusatzgefäß durch Regelung des Druckes in den Gasphasen der entsprechenden Gefäße mit einem strömenden Gas verteilt wird, das durch eine oder mehrere das Zusatzgefäß mit dem Reaktorgefäß oder dem primären Dampfkreis verbindende Leitungen, in denen zusätzliche Strömungswiderstände angeordnet sind und

zusätzlich wenigstens durch den primären Dampfkreis geleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das strömende Gas von dem Zusatzgefäß über eine einen zusätzlichen Strömungswiderstand enthaltende Leitung zum Reaktorgefäß oder zu einem Punkt im primären Dampfkreis geleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das strömende Gas von dem Zusatzgefäß über eine einen zusätzlichen Störungswiderstand enthaltende Leitung zu einem Punkt im primären Dampfkreis und über eine oder mehrere andere Strömungswiderstände enthaltende Leitungen zu anderen Punkten im primären Dampfkreis oder zum Reaktorgefäß geleitet wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Kondensation des Dampfes erhaltene Flüssigkeit in der Weise zum Reaktorgefäß geleitet wird, daß das gelöste oder dispergierte spaltbare Material in einer inneren Zone im Reaktorgefäß konzentriert wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der bei der Kondensation des Dampfes erhaltenen Flüssigkeit zum Zusatzgefäß geleitet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1055 707;
J. W. Ch as tain, »U.S. Research Reactors Operation and Use«, 1958, Roading, U.S.A., S. 128, 129.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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