DE1439107A1

DE1439107A1 - Brennelement fuer heterogene Atomreaktoren

Info

Publication number: DE1439107A1
Application number: DE1961S0075929
Authority: DE
Inventors: Ziegler Dr Albert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1961-09-26
Filing date: 1961-09-26
Publication date: 1969-02-06

Description

Brennelement für heterogene Atomreaktoren Heterogene Atomreaktoren verlangen hinsichtlich der Herstellung des .spaltbaren Materials einen sehr großen Aufwand, der demgemäß mit hohen Kosten verbunden ist. Aus diesem und anderen Gründen werden daher Reaktoren vorgeschlagen, die mit einfacher und daher wesentlich billiger herzustellendem Spaltstoff betrieben werden können. Der Spaltstoff befindet sich bei diesen Vorschlägen in flüssiger Form oder auch in Form eines geschmolzenen Salzes oder Metalls, einer Suspension, oder auch einer Spaltstoffpaste. Bei solchen Reaktoren muß man jedoch den Nachteil in Kauf nehmen, daß der ganze Kühlkreislauf auch außerhalb des Reaktorgefäßes außerordentlich stark radioaktiv verseucht ist und außerdem aufwendige Umwälzpumpen für` den jeweiligen Spaltstoff'. erforderlich sind. `.
Abgesehen vom pastenförmigen Spaltstoff ist zudem die Konzentration der spaltbaren Substanz verhältnismäßig gering, so daß mit höher .angereichertem Spaltstoff gearbeitet werden muß.

Die vorliegende Erfindung verbindet die Vorteile-der starren Brennelemgntform m-it den Vorteilen; die ein Reaktor mit umlaufenden pastenförmigen Spaltstoff besitzt: und bezieht sich auf eln-Brennelement für heterogene Atomreaktoren mit pastenförmigem-Spaltstoff. Erfindungsgemäß besteht das Brennelement aus einem an SpaltstdF@fsgrmaelbqhä1,t-er . . angeschlossenen. Bohrsystem, das von dem pastenförmigen Spalts:tpf vorzugsweise mittels Druckgas durchströmtist.- , Das Brennelement bildet also eines heterogenen Reaktors und hat rieben der Verwendung relativ billigen S-paltstoffmaterials den Vorteil eines verhältnismäßig e,i-nfachen Aufbaus. Die Figur 1 stellt einen Querschnitt durch, ein derartiges Brennelement dar, wobeidessen' Lage innerhalb eines Reaktorkessels schematisch,angedeutet ist. Selbstverständlich sind auch noch aridere konstruktive Varianten zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Brennelements möglich. Die Figur 2 stellt einen Querschnitt durch dieses Brennelement in -Höhe der Linie II-II dar.

Figur .3 zeigt einen- schematischen Querschnitt durch -eine= mögl.ch:e

@ewaktoranlagP. Aus Gründen der Übersichtlichkeit: sind nur zwei der

eri?ndungsgemäßpn:renne..let_@p te - cinge:zeichnet.`

Das eigentliche Brennelement besteht aus einem zentralen Rohr 2 und einem Mantelrohr 3, die $n ihrem unteren Ende durch ein ringförmiges Teil 4 miteinander verbunden sind. Zwischen den beiden Rohren befindet sich ein ringförmiger Kühlkanal 18, in den das Kühlmittel von unten durch die Durchbrechungen 5 aus dem unteren Kühlmittelzuführungs raum 26 eintritt. Innerhalb des Zentralrohres 2 ist außerdem ein Kühlmittelrohr 19 angeordnet, das zum Ausgleich von Wärmespannungen eine gewellte Form besitzt, mit seinem unteren Ende mit dem Kühlmittelzuführungsraum 26 in Verbindung steht und an-senedoberen Ende seitlieh in den bereits genannten Kühlkanal 18 mündet. Dieser aktive Teil des Brennelementes befindet sich innerhalb eines Trennrohres 27, das zwischen der oberen Tragplatte 6 für die Brennelemente und der unteren Platte 7 angeordnet ist. Zwischen dem eigentlichen Brennelement und diesem Trennrohr 27 verbleibt wiederum ein Ringspalt 17 zum Durchtritt des Kühlmittels. Auf das äußere Mantelringrohr 3 ist außerhalb des eigentlichen Reaktorkernes, also oberhalb der Tragplatte 6, ein ringförmiger Sammelbehälter 10 für das pastenförmige Spaltstoffmaterial aufgesetzt, der sich mit 1117.fe der Laschen 20 auf die Tragplatte abstützt. Das zentrale Rohr 2 besitzt an seinem oberen Ende :ein Rückschlagventil 13, das eine Strömung der Spaltstoffpaste von unten nach oben verhindert und an eine rohrartige Verlängerung desselben anschließend den Spältstoffbehälter g. Dieser ist über die seitliche 4phrleitung, 11 mit dem unteren Spaltsteffbehälter 19 verbunden, wobei die Leitung 11 ebenfalls mit einem Rücksdhlagventil 12 versehen ist, das nur eine Spaltstofströmung von unten nach eben erlaubt.. Die bei-'den Behälter 9 und 10 sind noch durch eine Stützkonstruktion _2l @mityeinander verbunden, die gleichfalls den Austritt des Kühlujittels au.: dem inneren Kühlkanal 18 in den oberen Kühlmitt lsammelraum 25 des Reaktorkessels 14 gestattet: Die beiden Spatstaffsammelbehälter 9 und 10 stehen_über dünne Druckleitungen 22: und 23 und die steuerbaren Ventile 221 und 231 Druckgascquelle 24 (Figur 3) in Verbindung.. Die Anordnung der Sammelbehälter noch- innerhalb des Kühlmittelaus-' trittsraumes.ermöglicht dabei vorteilhafterweise eine Überhitzung des Kühlmittels durch die auch außerhalb der eigentlichen Kernzone noch entstehende Reaktionswärme im pastenförmige:n Spaltstoff. Die Figur 3 zeigt einen möglichen schematischen'Aufbau.eines Reaktors mit solchen Brennelementen. Diese-.werden durch die sehr kräftig auage,= führte Halteplatte 6 getragen: Die bereits genannten_Trennrohre 27 münden unterhalbes eigentlichen Reaktorkernes-in eine.gemeinsame, Kühlmittelzuführungsleitung 15-. Der Kühlmittelkreislauf: verläuf t, nachdem das Kühlmittel durch den Auslaß 16 den Reaktorkessel verlassen hat, über den Wärmeta:useher 41 und die Pumpe 40: Mit 42 ist ein Vorratsbehälter für das Kühlmittel bezeichnet:, mit dessen Hilfe es mögl-ich-ist, kleinere Leckverluste zu ersetzen, ohne den Betrieb . _ Y gc@ des Reaktors zu unterbrechen.-Als : Kühlmittel-selbst kann z.B. flüssiges Metall,. jedoch auch eine der sonst üblichen Kühlmittel Verwendung finden. Der Moderator 29 befindet sich in-einem eigenen Behälter, wenn er aus einer Flüssigkeit besteht. In vorliegendem Beispiel befindet sich zwischen den Trennrohren 27 'und den Moderatorbehälterdurchbrächen 28 noch ein ringförmiger Spalt zur Wärmeisolation. Der flüssige Moderator wird*mit Hilfe der Pumpe 33, die über den Kühler 32 mit den Austritts- und Eintrittsleitungen j1-bzw. 30 verbunden ist umgepumpt uni auf' der gewünschten Temperatur gehalten. Die Betriebsweise der Brennelemente läßt sich folgendermaßen be-, .schreiben: Beim Einsatz des Brennelementes sei nur der obere Behälter 9 mit pastenförmigem Spaltstoff gefüllt. Dieser enthält als spaltbare Substanz entweder U02 oder UC und als flüssige Phase Na, NaK, Pb, Bi oder Li 7. Dabei ist es zweckmäßig, den Anteil der flüssigen Phase mit etwa 30 - 50 % zu wählen, damit eine ausreichende Beweglichkeit der Paste erzielt wird. Zur Verbesserung der Benetzbarkeit zwischen den festen und den flüssigen Stoffen, die eine'notwendige Voraussetzung ist, können dieser Paste z.B. kleine Zusätze von Mg zugegeben werden. Gegenüber Na und noch mehr NaK ist Pb oderBi bzw. eine Fb-Bi-Legierung wegen ihres kleineren Absorptionsquerschnittes vorzuziehen. Wenn auch diese beiden Metalle eine etwa 4x schlechtere Wärmelelt-Fähigkeit als Na besitzen, so wird dieser Nachteil weitgehend durch den wesentlich höheren Siedepunkt (1630o G im Vergleich zu 850o C bei Na) wieder ausgeglichen: Die Wärmeleitfähigkeit einer solchen Paste beträgt etwa den doppelten Wert des mit U02-Keramik erreichbaren Wertes. Der Raum 9 wird nunmehr über die Leitung 22 mit Druckgas besufschlagt, das diese Paste. über das Rückschlagventi-1 1-3 in den zentralen Raum 2, über die untere ringförmige Umleitung 4-in das äußere Mantelringrohr 3 und von da in den unteren Sammelraum 10 befördert. Ist die ganze Spaltstoffmenge durchgepreßt, so wird das Druckgas auf die Leitung 23 geschaltet und der im unteren Behälter befindliche Spalts tof f über die Rohrleitung 11 und das Rüekschlagventil 12 wieder in den oberen Behälter zurückgedrückt. Das Rüekschlagventil 13 verhindert, daß der Spaltstoff in umgekehrter Richtung durch das eigentliche Brennelement läuft. Dies muB vermieden werden, damit stark neutronenabsorbierende Spaltprodukte wie z.BXenon erst nach einer angemessenen Abkling-. zeit in die Kernzone gelangen, und die Reaktivität des Reaktors nicht herabgesetzt wird.

Durch Erhöhung des Gasdruckes kann die Rückführung der Spaltstofipast@ in den oberen Behälter beschleunigt werden, was auch durch die kurze Rohrleitung 11 mit"ihrem.wesentlich -geringeren-5trömungswiderstand@ gegenüber dem normalen Umlauf. unterstützt wird. Durch diese Methode der Rückführung der Paste wird eine Umschichtung erreicht, d.h..die älteste Paste kommt zu unterst In-den Behälter 9 . und die jüngste, Paste zuoberst in den Behälter .9, so daß damit über .den gesamten Umlaufzyklus gesehen eine gleiche Wartezeit erreicht wird: Diese Wartezeit ist ein besonderer Vortei-1 des mit diesem Brennelement verbundenen Umlaufverfahrens,: da durch sie eine Xenonvergiftung der Spaltreaktion weitgehend vermieden werden kann. Xenon 135 . das wegen seines großen Absorptionsquerschnittes normalerweise in einem .Leistungsreaktor etwa 5;ß %: Reaktivität verzehrt, entstellt aus dem Spaltprodukt J@5 durch Beta-Zerfall,mit: einer Halbwertszet von 6,6 Stunden und zerfällt selbst wieder mit einer Halbwertszeit von ca. 10 Stunden._Wird : der Brennstoff- z..B. gerade so: schnell umgepumpt, daß er sich etwa 6 Stunden im-Reaktor und danach etwa 20 - 30 Stunden auerhalb des Reaktors befindet, so würde der größte Teil des Xenon-Isotops, das im wesentlichen' erst-außerhalb des. Reaktors entsteht, . auch dort wieder zerfallen, :bevor der Brennstoff wieder zum: Einsatz gelangt. Aus diesen kurzen Darstellung ist ersichtlich, aaß ein Reaktor, der m-t solchen Brennelementen aufgebaut .st,- auf. die nor-: @_` malerweise bei einem Leistungsreaktor erforderliche: Reaktivitäts--, reserve verzichten kann. Diese Eigenschaft solcher Brennelemente führt auch zu der Möglichkeit, auf Regelstäbe kom zu verzichten, da die Konzentration neutronenabsorbierender Stoffe im Bereich des aktiven Reaktorkernes z.B. durch langsameres Umpumpen der spaltstoffpaste in genau dosierbarer Weise erhöht werden kann.

Auf besondere Abschaltstäbe wird man jedoch aus Sicherheitsgründen nicht verzichten. Diese können in üblicher Weise. im Reaktor ange-bracht werden. Mit diesen genannten Eigenschaften verbunden ergibt sich die Möglichekit eines höheren Abbrandes im Spaltstoff urid als weiterer Vorteil die stetige Betriebsbereitschaft des Reaktors, da nach dem Abschalten nicht erst die Abklingzeit der Xenonvergiftung abgewartet werden mul3. Als Buispiel für die Dimensionierung sei genannt, doll das Brennstoffvolumen bei einem Brennstoffquerschnitt von `j4 cm@ und einem Kühlmittelquerschnitt von 32 em2 bei Einer gesamten Lünge des Brennelementes von 1l nc rung 30 T beträgt. Der gesamte erforderliche Vorrat an Brennstoffpaste pro Element würde etwa 90 1 betragen. FUr die Behälter und 10 steht entsprechend dem Abstand der Kühlkanäle etwa ein Durchmessec von 25 cm zur Verlllgung. Bei einer Gesamthöhe von Z m ilir beide Behälter erreich:. man ein Volumen von 100 1, das für die Aufnahme der -Paste und eines zusätzlichen Gasvolumens ausreichend ist. Die zwischen -den runden Behältern freibleibenden Zwischenräume werden l"ilr die FZilei@-fühirungsrohre und. für I?egelstäbe verwendet. Bei dieser angenommenen. Grötse enes'ilrennelementes und. einer der Paote von etwa 10 g '

pro em3 beträgt.das Gewicht eines derartigen Elementes etwa 1 t:--

Die Abstützung und die. Tragfläche 6--müssen also sehr-kräftig sein. .

Prinzipiell könnte der Brennstoffwechsel in einfacher Weise> durch .

dünne Rohrleitungen erfolgen. Da aber der erwähnte. große Brennstoff-

vorrat etwa für einen 10-jährigen Betrieb reicht, ist es zweckmäßig,

nach.e-iner derartigen längen Betriebszeit das ganze Element auszu-

wechseln und an. einer besonderen Anlage: außerhalb neu zu füllen. Für

die Auswechselung ist dabei nur die Abtrennung d-er beiden dünnen

.Druckgasleitungenerforderlich. -

Eine weitere Erhöhung des Spaltstoffabbrande.s ist, ..durch die Möglich-

keit der Absaugung der gasförmigen vergiftenden Spaltprodukte, die.

u.U. ebenfalls mit Hilfe der DruckleitungLei 2'2' arid 2:> ,erfolgen kann, ge-

geben. Damit würde sich auch die Abklingzeit entsprechend verringern;:]

da. kleinere Umlaufzeiten des .Shaltsto`fes möglich werden. -

,i@actl:ie!lEnd seien die wiclityi-;ten Vorteile, die mit dem Einsatz

derartiger Brennelemente verbunden sind, zuaammengei'ai:t:

1. Die F3r-ennstof'1'kosteri sind weseritl.ich niedriger als bei der Fa-

brikation rormbeständiger Brennelemente mit dichtem Spaltstoff',

c: d°u"rch die verminderte Xerionvergifturig ergibt sich für dien gesatct,cri

Reaktor ein: «R. akti.v_i tätsgewirin und für d.en Spaltstoff ein höherer

Abbrand.

L'ir die Auslegung des Reaktors ist keine Reaktivitätsreserve zum

Ufberfahren der Xenonvergiftung nach einer Lastsenkung: mehr er--=

forderlich,

4. ein lieaktor kann riacfi* Akiscr,al_tu.ng sofort wieder in B@:trleb ge-

nommen werden, da keine Xenonvergif tung.im Reaktorkern verhanden ist, , ' 5. die Regelung des Reaktors kann anstatt. durch Regelstäbe durch Veränderung der Durchsatzgeschwindigkeit der Paste und damit Einsteilung genau dosierbarer Mengen neutronenabsorbierender Spalt-' produkte im Reaktorkern erzielt werden, im gleichen Sinn kann durch unterschiedliche Durchsatzgeschwindigkeit der Paste in den einzelnen Brennelementen die Neutronenflußverteilung im gesamten Reaktor günstig beeinf lußt werden, 7. komplizierte Ladevorrichtungen zum Auswechseln des Brennstoffes kommen in Wegfall, B. es ist eine Brennstofferneuerung mit Zwischenaufarbeitung ohne Bewegung der Brennelemente möglich.

Claims

Patentansprüche '1. Brennelement für heterogene Atomreaktoren mit pastenförmigem Spaltstoff, dadurch gekennzeichnet,- daß das: Brennelem®nt--aus =# - - einem: an Spaltstoffsammelbehälte:r änge-schlossenen:-Rohrsystem be- steht, das von -dem pastenförmigen Spaltstoff. vorzugsweise mittels Druckgas durchströmt ist. _- Verfahren zum Betrieb-eines Reaktors mit Hilfe eines Breünelementes:- - nach Anspruch 1,-dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaufzeit - der Spaltstoffpaste so gewählt wird, daß innerhalb des Rohrsystems praktisch keine Xerionvergiftung auftritt und@der-Spaltstoffvorrat- ' in den Sammelbehältern so groß ist, daB=die einzelnen Spaltstoff- telchen solange darin -verbleiben, bis die -Xenonvergif tung =äti=geklungen ist. - i. Verfahren zum Betrieb eines Reaktors nach Anspruch 1 und 2,- - dadurch gekennzeichnet,@dafdie Durchströmgeschwindgkeit der- Paste -regelbar ist und eine zeitweilige Variatlöri der Geschwin- digkeit durch die 'dadurch erhöhte Xenonvergiftung und damit Neutronenabsorption innerhalb des Rohrsystems zur Regelung des Reaktors herangezogen wird. -. -- 4, . Brenne Zement -nach Anspruuh 1-, dadurch gekennze ichnet- üaß es aus einem zentralen rohrförmigen Hohlkörper und einem hohlen-Mantel- körper, die an ihrem: unteren Ende- mi teinander verbunden ind und vom: pastenf6,rmigerSpaitstoff durchströmt werden, besteht und

daß diese Hohlkörper an ihrem anderen Ende oberhalb des eigentliehen Reaktorkernes In-übereinander angeordnete S.pa:ltstoffsammelbehälter münden und durch zylinderförmige Kühlkanäle voneinander getrennt sind. -5. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die. ringförmige Verbindung zwischen dem inneren Hohlkörper -und dem -Mantelkörper von kurzen rahrförmigen-Teilen zur Herstellung einer - Verbindung zwischen dem inneren zylindrischen Kühlkanal und einem-Kühlmi@telzuführungsraum, in den das Brennelement eintaucht, durchbrochen ist. 6.-Brennelement nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden oberhalb des eigentlichen Brennelementes befindlichen Sammelbehälter durch eine mit einem Rückschlagventil versehene, -eine Spaltstoffströmung nur von unten nach oben gestattende, Rohrleitung verbunden sind. 7. Brennelement nach Anspruch 4 und Ei, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Zuleitung aus dem oberen .;ammelbehälter- in -den zentralen Spaltstoffraum ebenfalls mit einem ßückschlagventil, das nur eine Spaltstoffströmung nach abwärts gestattet, versehen ist. B. Brennelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,: daß die beiden Sammelräume an je eirot Sruckgaszuleitung geringen Querschnitts,-die über regelbare V.@ntile zu einäm Druckgaserzeuger i-:hren, angeschlossen sxnd. - 9. Verfahren-zum Betrieb- -eines Brennelementes naäh Anspruch 4-da- - ,_ -durch gekennzeichneto, daß durch Einleiten von._Brupkgag ih den oberen .Sammelbehälter der darin befindliche paatenförmige Spält- stoff in den zentralen Spaltstoffraum gepreßt, am Ende desselben ,seitwärts umgelenkt und durch den diesen umschließenden mäntel- . förmigen Raum wieder nach oben roden unteren Tier beiden Sammelbe-_ . kälter .gepreßt -wird.- 10. Verfahren zum Betrieb eines Brennelementes hach Anspruch 4da- durch gekennzeichnet, daß der° -Spa.Ltstoff nach Füllung des unteren Sammelbehälters durch Druckgas über die Verbindungsleitung zum oberen Sammelbehälter gepreßt wird,. 'f1. Brennelement nach-Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß- Einrichtungen zur Absaügung`der entstehenden gasförmigen.Spalt- produkte vorgesehen sind:. 12.@ Brennelement nach Anapruct:4, dadurch gekennzeichnet, daß die Paste :aus U0,, oder UC mit Na, NaK, Pb, Bi oder Li 'j als flus- - sige Paste besteht, wobei der Anteil der flüssigen Phase 20 - 50 ' beträgt.