DE2141008A1

DE2141008A1 - Kernreaktor mit schnellen neutronen

Info

Publication number: DE2141008A1
Application number: DE2141008A
Authority: DE
Inventors: Ewgenij Iwanowitsch Grischanin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-08-16
Filing date: 1971-08-16
Publication date: 1973-02-22
Also published as: FR2152380B1; FR2152380A1; GB1299038A; DE2141008B2

Description

2U1008

Pain -■·. nwftlta Dlpl.-in-. " Ξ ET Z s-n,
DIpJ-V . '.7W-TiCl. ^O-IJ Al^ 16. 8. 1971

„ ncl .-, jteinsdorfstr. iu

1. Evgenij Ivanpvic Grisanin,UdSSR,i'ioskau, 5 Kozuchovskaja ulica,35»kv.29,Ingenieur

2. Viktor Michajlovic Murogov,UdS8R,Kaluzskaja oblast',Obninsk, prospekt Lenina,13/1,kv.4,

Ingenieur

3. Viktor VladirairOVLC Orlov,UdSSR,Kaiuzskaja oblast ^f ,Obninsk, Sportivnaja ulica,^,kv.43, >

j . Ingenieur f

γj 4. Lev Vasil'evic Tocenyj,UdSoR,Moskau, Molodogvar^ V- dejskaja ulica,5»kv. 10,Ingenieur

Kernreaktor mit schnellen Neutronen

Die Erfindung bezieht sich auf die Kernenergietechnik, und zwar auf einen Kernreaktor mit schnellen Neutronen, der ä für Atomkraftwerke, insbesondere für Kernkraftwerke mit großer Leistung benutzt werden kann.

Verschiedene Bauarten von Kernreaktoren mit schnellen Neutronen sind weitgehend bekannt. Die zur Energieerzeugung bestimmten Kernreaktoren mit schnellen Neutronen weisen ge-

53O-(P 38 708/1)-Hd-r (7)

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-Z-

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wohnlich einen äußeren Brutmantel auf, in dem sich der Brutstoff, z, B. natürliches oder abgereichertes (verarmtes) Uran und/oder Thorium, befindet.

Der Brutmantel ist zur nutzbaren Absorption von Neutronen bestimmt, die aus der Spaltzone (auch aktive Zone oder Reaktorkern oder -core genannt) abwandern. Bei der Absorption im Uran oder Thorium bewirken diese Neutr nen eine zusätzliche Energiefreisetzung im Reaktor und die Erzeugung

239 233

von Spaltstoffen, wie Plutonium Pu bzw. Uran U .

Der äußere Brutmantel umfaßt die Spaltzone des Reaktors, die einen Spaltstoff enthält und in der Regel zylinderförmig ausgeführt wird. Der äußere Brutmantel wird in einen über und unter der Spaltzone liegenden Stirnmantel und einen Seitenmantel eingeteilt. Bei Kraftwerksreaktoren besteht die Spaltzone gewöhnlich aus mehreren, z. B. zwei oder drei, konzentrischen Spaltzonenteilen,- die sich voneinander durch die Spaltstoffkonzentration unterscheiden.

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Beispielsweise wird' der Pu -Gehalt im Kernbrennstoff eines Plutoniumreaktors, z. B. in einem Uran- und Plutoniumgemisch, zur Peripherie der Spaltzone hin größer. Ähnlicher-

235 weise vergrößert sich zur Peripherie hin der U -Gehalt im

p O K Ο QQ

Kernbrennstoff (ζ. B. in einem U- und U -Gemisch) eines Uranreaktors.

Der Hauptzweck der Bildung derartiger Zonenteile mit unterschiedlicher Konzentration des Spaltstoffisotope in der Spaltzone ist die Ausnutzung des Effekts, der als Ausgleich durch Anreicherung bezeichnet wird und gewährleistet einen Ausgleich des Profils vom Wärmeentwicklungsfeld ent-

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lang des Reaktorradius, eine Reduzierung des radialen Ungleichmäßigkeitskoeffizienten (Kr) der Wärmeabgabe, eine
Erhöhung der Energieabgabe (MW/kg) sowie eine Beschleunigung der Spaltstoffregenerierung ^Ansammlung neuer Spaltstoffe in Prozent/Jahr).

Die beschriebenen schnellen Reaktoren mit einem Ausgleich im Profil des Wärmeentwicklungsfeldes durch Bildung von Spaltzonenteilen mit unterschiedlicher Spaltstoffkonzentration (Ausgleich durch Anreicherung) weisen aber einen wesentlichen Mangel auf, und zwar eine bedeuteende Verformung des Wärmeentwicklungsfeldes, die eigentlich zum λ

Verschwinden des Ausgleicheffekts bei diesem Feld während eines längeren Reaktorfoetriebs ohne Überlastung (i/2 Jahr und mehr) führt. Dies ist durch unterschiedliche Brutfaktoren in den Zonenteilen mit verschiedener Anreicherung
bedingt. Der kleinere Brutfaktor im äußeren Teil der Spaltzone führt zum relativen Sinken der Wärmeentwicklung an
der Peripherie und zur relativen Erhöhung der Wärmeentwicklung im Zentrum der Reaktorspaltzon©., Da für die Reaktorkonstrulction der Zeitraum mit größter Belastung während
einer Reaktorreise bestimmend ist, muß man bei der Reaktorprojjektierung die Ungleichmäßigkeit der Wärme en twick=
lung, den Abfall der Energieabgabe des Brennstoffes während des Brennstoffzyklus und sine verlangsamte Aufspei- ä cherung des neuen Brennstoffes berücksichtigen,, Dies führt aber zur Kostenerhöhung für die von dem Atomkraftwerk erzeugte Energie.

Die Entwicklung von Atomkraftwerken mit .schnellen
Reaktoren wird in der nächsten Zukunft durch einen Anstieg

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der Einheitsleistung auf über 1000 - 2000 MW gekennzeichnet sein. Kernreaktoren mit schnellen Neutronen und einer so hohen Leistung (2500 - 4000 MW) weisen nun mehrere Besonder heiten aufs Anstieg des Reaktivitäts-Brutfaktors, der eine prinzipielle Möglichkeit eines längeren ununterbrochenen Reaktorbetriebs (bis zu einem Jahr und darüber) ergibt, größere Ungleichmäßigkeit der Wärmeentwicklung in der Spaltzone des Reaktors. Im betreffenden Falle ist die Instabilität des Wärmeentwicklungsfeldes ein Hindernis für die Benutzung der sich im Prinzip ergebenden Möglichkeit, die Dauer des ununterbrochenen Reaktorbetriebs zu verlängern, und führt zusätzlich zum schlechteren Profil des Wärmeentwicklungsfeldes in der Spaltzone des Reaktors.

Die Erfindung hat als Aufgabe, die Ungleichmäßigkeit der Wärmeentwicklung in der Spaltzone des Reaktors zu reduzieren und das Wärmeentwicklungsfeld in der Reaktorspaltzone zu stabilisieren, d. h. den kleinsten Wert des Ungleichmäßigkeitsfaktors der Wärmeentwicklung während des kontinuierlichen Reaktorbetriebes aufrechtzuerhalten und dadurch die Energieabgabe sowie das Tempo der Brennstoffrückgewinnung zu erhöhen und die Energiekosten in Atomkraftwerken zu senken, indem die Reaktorspaltzone so ausgeführt wird, daß der Reaktor bei einem optimalen anfänglichen Profil des Wärmeentwicklungsfeldes gleiche Brutfaktoren in den Spaltzonenteilen aufweist, die ein stabiles Wärmeentwicklungsfeld während des Reaktorbetriebs gewährleisten.

Diese Aufgabe wird bei einem Kernreaktor, für schnelle Neutronen mit einem Brutmantel, der eine aus einem inneren und einem äußeren Zonenteil gebildete Spaltzone umgibt, wo-

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bei die Zonenteile konzentrisch angeordnet sind, dadurch ge-

239 löst, daß als Kernbrennstoff im äußeren Spaltzonenteil Pu

235
und im inneren Spaltzonenteil U vorgesehen ist,, wobei das Volumen des inneren Spaltzonenteils ungefähr 20 - 90 $ vom Gesamtvolumen der Spaltzone beträgt»

Der erfindungsgemäße Reaktor mit schnellen Neutronen weist alle Vorteile eines durch Anreicherung ausgeglichenen Reaktors auf (z. B. identischer Aufbau der Brennstoffelemente in den Spaltzonenteilen) und ist außerdem durch vorteilhafte Eigenschaften, nämlich zeitlich stabilen Betrieb und einen kleineren Ungleichmäßigkeitsfaktor der Wärmeent- f wicklung, ausgezeichnet.

239 235
Die Mengen von Pu und U in den Spaltzonenteilen

sollten in einem Verhältnis von 0,5-5 vorliegen,; Plutonium kann als Oxyd (PuO^-f-UOp) und Uran als Metall benutzt werden.

Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen?

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäß auf- j gebauten Kernreaktors mit schnellen Neutr nen im Längs s chni 11;

Fig, 2 ein anderes Ausführungsbeispiel des Kernreaktors mit schnellen Neutronen;

Fig. 3 einen Schnitt nach III-III von Fig« 1 und 2;

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Fig. 4- eine graphische Darstellung der Änderung des

Ungleichmäßigköltsfaktors der Wärmeentwicklung in der Spaltzone des erfindungsgemäßen Kernreaktors (Vollinie) und eines bekannten durch Anreicherung ausgeglichenen Plutoniumreaktors (Strichlinie).

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besitzt der Kernreaktor eine aus zwei Zonenteilen 1 und 2 bestehende Spaltzone A. Der äußere Zonenteil 1 besteht aus Paketen von Brennstoff-

elementen, die einen Plutoniumbrennstoff, und zwar Uran

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und Plutonium , enthalten. Den inneren Zonenteil 2 bilden Pakete mit Brennstoffelementen, die einen angereicherten Uran-Brennstoff (Uran und Uran ) enthalten. Der Rauminhalt des inneren Zonenteils beträgt ungefähr 20 bis 9O $

239 vom Gesamtvolumen der Spaltζone· Das Verhältnis von Pu

235

zu U -^ kann man in der Spaltzone des Reaktors in den Grenzen von 1 : 2 bis 5 '· 1 variieren. Beim Überschreiten der erwähnten Grenzen kann die Gleichheit der Brutfaktoren in den Zonenteilen mit verschiedenen Brennstoffarten nicht mehr gesichert werden, und die Reaktorkennwerte werden dabei bedeutend schlechter.

Die Spaltzone ist von allen Seiten von einem äußeren Brutmantel B umgeben. Ein Seitenteil 3 und Stirnteile 4 und 5 des Brutmantels B enthalten abgereichertes (verarmtes) oder natürliches Uran.

Es ist auch eine Abänderung der Spaltzone A möglich. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, sind die Brennstoffpakete

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' ⁷ ' · 2U1008

in ihrer Höhe in Teile eingeteilt? Der Brutstoff des unteren und des oberen Stirnteils h und 5 besteht aus abgereichertem Uran, den inneren Zonenteil 2 bildet ein Brennstoffpaketteil mit angereichertem Uran, der von dem unteren und dem oberen Stirnteil k und 5 des Pakets durch Zwischenabschnitte 6 und 7 des Pakets mit dem Plutoniumbrennstoff getrennt ist.

In der Draufsicht (Fig. 3) stellen die Spaltzonenteile konzentrische Ringe dar, die von sechskantigen (oder quadratischen) Brennstoffpaketen gebildet werden. g

Uran und Plutonium können als Metall, Oxyd, Karbid, Natrid usw. verwendet werden. Von Interesse ist auch eine kombinierte Benutzung dieser Stoffe. So kann z„ B. der Plutoniumbrennstoff als Gemisch von Oxyden und der Uranbrennstoff als Metallegierung Verwendet werden.

Die Vorteile der Erfindung sind bei der Betrachtung der Fig. h gut erkennbar, in der die Änderung des radialen Ungleichmäßigkeitsfaktors der Wärmeentxdcklung während eines ununterbrochenen Reaktorbetriebs (in Jahren) dargestellt ist. Die Vollinie zeigt den Verlauf des Wärmeentwicklungsfeldes in einem Reaktor mit gemeinsamer Benutzung von Λ

235 239

Uran und Plutonium , die Strichlinie gibt das Verhalten des Wärmeentwicklungsfeldes in einem durch Anreicherung ausgeglichenen Plutoniumbrüter an«,

Während des ununterbrochenen Betriebs des Kernreaktors

23 5 239

mit Spaltzonenteilen, die Uran und Plutonium enthalten, ist die Stabilität des Profils vom Wärmeentwicklungsfeld durch die Gleichheit der Koeffizienten der Wärmeent-

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wicklungs-Regeneration in den Teilen der Spaltzone gesichert, Der erhöhte y -Wert (also die Anzahl der neu entstandenen Neutronen pro absorbiertes Neutron) des Brennstoffs im äuße-

O O Q ₍ O *3 ß

ren Zonenteil (Pu und IJ ) im Vergleich mit dem Brenn-

QOQ p O O

stoff des inneren Zonenteils (U und U ) führt zu relativ stärkerem Übergang der Neutronen aus dem äußeren Zonenteil 1 in den inneren Zonenteil 2 und sichert praktisch den absoluten Ausgleich des Wärmeentwicklungsfeldes im inneren Zonenteil. Infolgedessen bleibt die Verteilung der Wärmeentwicklung während des Reaktorbetriebs nicht nur konstant, sondern ist auch optimaler als bei verschiedenen Ausgleichverfahren (K =1,12).

Die erwähnten Vorteile schaffen eine bedeutende technische Reserve bei der Projektierung von schnellen energetischen Reaktoren nach der Erfindungs Im Vergleich mit einem durch Anreicherung ausgeglichenen Reaktor beträgt die Temperaturreserve an der Hülle jv 50 - 60 C und in der Mitte eines Brennstoffoxydstabes 200 - 400 C, Maschenabstand (h) des durch Brennstoffstäbe gebildeten Gitters kann bis zum minimal zulässigen Wert von 1,15 reduziert werden; die Höhe der Spaltzone kann bis zum optimalen physikalischen Wert vergrößert werden mit gleichzeitiger Erhöhung der durchschnittlichen Erwärmung des Kühlmittels (Wärmeträgers) bis zum optimalen Wert von etwa 250 - 280 C bei maximal zulässiger Geschwindigkeit des Kühlmittels (Natriums). Die Ausnutzung der erwähnten Reserven ergibt bedeutende technische und wirtschaftliche Vorteile von Kernkraftwerken mit schnellen Reaktoren nach der Erfindung im Vergleich mit den durch Anreicherung ausgeglichenen schnellen Reaktoren (vgl. Tabelle 1).

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Tabelle 1

Reaktortyp Kennwerte

Leistung [MV (el)J
Energieabgabe £kW/lJ

Reaktor gem.	Plutonium	Uran	0
Erfindung	brüter	konverter	75
1000	1000	1000
750	550	600
2,3	2,	3,
Ϊ 1,0	1,	0,



,5
,0

£g Brennstoff im
Zyklus/MW (el)]

Plutoniumspeicherungsrate [kg/M¥ (el) Jahr]

Den in der Tabelle 1 angeführten Ergebnissen ist noch hinzuzufügen, daß in der anfänglichen Entwicklungsperiode der Kernenergietechnik die Energieabgabe der schnellen Reaktoren der entscheidende Kennwert in bezug auf den Spaltstoff verbrauch und somit auf das Volumen der Gewinnung von natürlichem Uran ist. Der Bau von schnellen Reaktoren gemäß der Erfindung ermöglicht es, den Brennstoffverbrauch im Reaktor um 15 bis 20 $ zu verringern.

Es ist darauf hinzuweisen, daß der erfindungsgemäße

235 Reaktor mit gemeinsamer Benutzung von Uran und Pluto-

239

nium und mit dem in der Spaltzone erfindungsgemäß angeordneten Kernbrennstoff (Uranbrennstoff im Zentrum und Plutoniumbrennstoff an der Peripherie der Spaltzone) durch einen negativeren Wert des Natrium-Reaktivitätsfaktors im Vergleich mit dem Plutoniumbrüter ausgezeichnet ist. Das ist vom Standpunkt der Betriebssicherheit des Reaktors von Bedeutung.

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Die Benutzung der Erfindung beschränkt sich nicht auf die Wahl eines Projekts für den Bau eines schnellen Reaktors. Sie kann für Reaktoren mit beliebigem Aufbau des Reaktorbehälters benutzt werden! für eine integrierte oder eine Kreislauf-Bauart mit einer beliebigen Form der Brennstoffelemente (Stäbe, Platten usw.) und der Brennstoffhülle (quadratische, sechskantige, zylindrische Form usw.). Die Erfindung kann auch für jedes Kühlmittel im schnellen Reaktor (z. B. flüssiges Metall oder Gas) oder jede Brennstoff art (Oxyd-, Karbid- oder Metallbrennstoff) verwendet werden.

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Claims

Patentansprüche

1 .J Kernreaktor für schnelle Neutronen mit einem Brutmantel,, der eine aus einem inneren und einem äußeren Zonenteil gebildete Spaltzone umgibt, wobei die Zonenteile konzentrisch angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß als Kernbrennstoff im äußeren Spaltzonenteil

λ οQ poe

(i) Pu und im inneren Spaltzonenteil (2) U vorgesehen ist, wobei das Volumen des inneren Spaltzonenteils (2) ungefähr 20 - 90 $ vom Gesamtvolumen der Spaltzone beträgt. λ
2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

239 as Verhältnis der Mengen von Pu - ι

Spaltzonenteilen (1, 2) 0,5 - 5 beträgt.

239 235 daß das Verhältnis der Mengen von Pu - und U in den
3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Plutonium als Oxyd (PuOg+UOp) und das Uran als Metall vorgesehen ist.

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Λ.

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