DE2247700C3 - Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor mit primärem Gas- und sekundärem Wasserkreislauf - Google Patents

Description

einer Metall-Legierung zu verbinden, die eine höhere Wasserstoffaffautät als das Zirkonium oder die Zirkonlegierung hat und als Wasserstoffaufnehmer dient.

In der Offenlegungsschrift 1 903 009 wird ein solches Bauelement beschrieben, das für einen mit Wasser oder organisch gekühlten Kernreaktor Verwendung findet. Derartige Reaktoren zeigen jedoch ein ganz andersartiges chemisches und physikalisches Systemverhalten als gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren, auf die speziell sich die vorliegende Erfindung bezieht. Das bekannte Bauelement wird ausnahmslos an solchen Stellen des Reaktors eingesetzt, an denen ein hoher Neutronenfluß herrscht, z. B, als Brennelementhülle oder als Druckrohr. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung läßt sich jedoch nur bei Systemen außerhalb des Reaktorkerns — in diesem speziellen Fall bei den Wärmetauschern — in Anwendung bringen, da der Einsatz von Titan im Reaktorkern wegen dessen hoher Neutronenabsorption sich von selbst verbietet. Der genannten Offenlegungsschrift liegt zudem eine ganz andere Aufgabenstellung zugrunde, da es hier darum geht, die Versprödung eines Bauelementes zu verhindern. Mit der vorliegenden Anmeldung wird hingegen das Problem gelöst, wie das beim Betrieb von Hochtemperaturreaktoren freigesetzte T-itium reduziert werden kann, um dadurch über extrem umweltfreundliche Anlagen verfügen zu können.

Die Lösung dieses Problems gelingt durch die Kombination zweier verschiedener Maßnahmen:

gierungen im Kemreaktorbau sei noch auf die deutsehe Patentschrift 1 608 735 und die Offenlegungsschrift 1464 580 hingewiesen, die sich die geringe Absorption des Zirkoniums und seiner Legierungen far thermische Neutronen sowie seine hohe Korrosionsbeständigkeit zunutze machen. Die genannten Auwendungsfälle betreffen jedoch nicht den Gegenstand der vorliegenden Anmeldung, da hierbei die Aufgabe erfüllt werden soll, die Korrosion von Reaktorbauteilen zu unterbinden, während gemäß der vorliegenden Erfindung gerade eine Korrosion herbeigeführt wird, um das atomare Tritium als Feststoff zu binden und seinen Übertritt in den Sekundärkreis zu verhindern. Dieses Problem tritt speziell bei Hochtemperaturreaktoren auf und ist bisher kaum beachtet worden.

In der deutschen Patentschrift 1 608 735 wird ein Kernreaktorbauteil aus einer Zirkoniumlegierung beschrieben, bei dem eine Versprödung der Zirkoniumlegierung infolge des Eindiffundierens von H., dadurch verhindert werden soll, daß das Bauteil als Verbundmaterial aus wenigstens zwei metallischen Schichten ausgebildet ist, zwischen denen eine dritte Schicht aus Zirkoniumoxid vorgesehen ist. Dieses hat as die Aufgabe, das Eindringen von H₂ aus der ersten Schicht (aus einer korrosionsbeständigen Zirkoniumlegierung) zu verhindern. Es wird hier also die geringe Wasserstoffdurchlässigkeit von Zirkoniumoxid ausgenutzt, um das mechanisch tragende Zirkonium-Material gegen Korrosion zu schützen.

Die deutsche Offenlegungsschrift 1 464 580 hat ein

2. durch den Emsatz physikalisch ruckhaltender Tntium-Barneren aus1 einem,Tritium, absorb.erenden Metall, z. B. Titan, deren Wirkung auf die Speicherung von,Tritium auf Zwischengitterplatzen zurückzuführen ist.

Die unter 2. genannte Maßnahme ist mit dem wesentlichen Vorteil verbunden, daß die Tritiumaufnahme mit höherer Temperatur zunimmt, so daß der Einsatz von Titan auch bei Temperaturen an der Barriere von mehr als 500° C sich noch voll auswirkt. Für den hier speziell behandelten Fall der Abschirmung des Sekundärkreislaufs eines Hochtemperaturreaktors gegen den Primärkreislauf stellt die angegebene Lösung ein Optimum dar, für den wegen der anders gelagerten Aufgabenstellung in Verbindung mit einem anderen Reaktortyp keinerlei Anregungen aus der Offenlegungsschrift 1 903 009 entnommen werden konnten.

So entsteht bei wassergekühlten Reaktoren die überwiegende Tritiummenge im Kühlmittel »Wasser«, aus dem Tritium nicht mehr ausfilterbar ist; eine um das Primärkühlmittel aufgebaute Diffusionsbarriere würde keine Wirkung haben.

Bei Kernreaktoren vom Druckrohrtyp bewirkt eine Diffusionsbarriere an der Außenfläche der Druckrohre (auf der vom D.,O-Moderator beaufschlagten Seite) keine Reduktion der Tritiumfreisetzung, da das tritiumtransportierende Kühlmittel im Inneren der Rohre strömt. Zudem ist bei diesem Reaktortyp der Tritium-Diffusionseffekt gegenüber dem D.,O-Leckageeffekt für die Belastung der Umgebung prinzipiell vernachlässigbar.

Zur Verwendung von Zirkonium oder seiner Le-_{Umhüllung des} Brennstoffelementes vorgesehen, die

. § _Spallsloff diffundierendem Material

_{(Aluminium oder} ^H zirkonium) besteht. Sie soll ver_{hind daß der Spa}ltstoff in das Umhüllungsmate-

_ria, _{ein(Jringt und} ^ Schutzhülle .erstört wird. Im Gegensatz hierzu handelt es sich bei der vorliegenden Anmeldung nicht darum, das Material der Wärmetauscherwandungen vor Zerstörung zu schützen, sondem den Übertritt von Tritium in den Sekundärkreislauf zu verhindern.

Die Wirkung der gemäß der Erfindung vorgeschlagenen Maßnahme kann in vorteilhafter weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erhöht werden, daß zusätzlich auch die Brennstoffelemente mit Zirkonium, Ccr oder Yttrium dotiert werden. Auf diese Weise kann bereits die Tritium-Konzentration im Kühlmedium des Primärkreislaufes niedriger gehalten bzw. bis um den Anteil der Bildungsrate aus U 235 reduziert werden.

Die Bedeutung der vorliegenden Erfindung liegt vor allem im Schutz der Umwelt vor schädlicher Strahlenbelastung, so daß sie wesentlich zum technisehen Fortschritt beiträgt. Außerdem ist ihre Anwendung auch mit erheblichen konstruktiven und verfahrenstechnischen Vorteilen verbunden. So können kostspielige Sekundärkreisabschlämmungen eingespart werden, und bei der Verwendung des Sekundärdampfes für chemische Prozesse kann auf zusatz liehe Wärmetauscheranlagen verzichtet werden, die ohne den Einbau der Tritiumbarriere gemäß der Erfindung erforderlich wären, um ein zweites Hindernis für das Eindringen des Tritiums in den Prozeßdampf zu schaffen.

Claims (9)

& Sicherheitsgründen verhindert werden muß. Um das zu erreiche! kann bei einem Hochtemperaturreaktor Patentansprüche: der Sundärkreis als »Kontrollbereich« ausgebildet

1. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor mit werde^und es^^££^ primärem Gas- und sekundärem Wasserkreislauf 5 schlarnmuugen Ed ih bid dneten Wärme- gactaa^*

primärem Gas und sekun ^ _durch

End zwischen beiden -geordneten Wärme- gactaa^*^^ _nebe„ _leist

ddh kchnet dall die ^v/axP^l^^lr' h

End zwischen beiden g - g^^^ _nebe„ _leist

schern, dadurch gekennzeichnet, dall die .^v/axP^l^^lr' . _b : _nöheren Temperaturen noch in oder an den Wandungen der Wärmetauscher poruondenr^^^eg _df/V_ntf_umbelastung der ·. velt in an sich bekannter Weise ein durch chemische verstärkt, wodurch die V™« $ Bindung mit Tritium feste Stoffe bildendes Me- io bei angestrebten höheren lemperaiu taU bzw. ejne Metallegierung und/oder ein Tn- gert wurde. vorliegenden Erfin-

tium adsorbierendes Metalle-vorgesehen sind. Es ist daher die Aiig J «asgekühltcn

2. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach dung, den Sekundarkreislauf «^g?J^^ul^ Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochtemperaturreaktor ^

Metalle bzw. die Metallegierung in Form von i₅ verfahrenstechnischen A"^* f

Schichten oder Platten auf die Wärmetauscher- das aus dem Pnrnarkreislauf in d e

wandungen aufgebracht sind. wandungen eindiffund-.erende|Tnüum ^^

3. Gasgekühlier Hochtemperaturreaktor nach _und dadurch das be.m Betneb eines pichen Keak Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die _{tors in} die Umgebung freigesetzte Tritium wesentlich Metalle bzw. die Metallegierung in das Material «o _{zu re}duzieren. . ._imo HnHnrrh der Wärmetauscherwandungen eingelagert sind. _Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung daourcn

4. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach „_elösti daß in oder an den Wandungen aer warme-Anspruchl, dadurch gekennzeichnet, daß die tauscher in an sich bekannter Weise ein durch chem,-Metalle einen Legierungsbestandteil des Wand- _sche Bindung mit Tritium feste Stoffe bildendes Mematerials bilden. *5 tall bzw. eine Metallegierung und/oder ein Tr.tium

5. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach absorbierendes Metall vorgesehen sind.

den Ansprüchen 1, 2 oder 3, gekennzeichnet Dieses Metall bzw. die Metallegierung kann in

durch die Verwendung von Zirkonium als Part- _{Fom von Schic}hten oder Platten auf die Wandungen ner für die chemische Reaktion mit Tritium. _der wärmetauscher aufgebracht sein; es kann aber

6. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach 30 _{auch m dje} wandungen eingelagert sein oder sogar den Ansprüchen 1, 2 oder 3, gekennzeichnet . _Lesierungsbestandteil des für die Wärmetaudurch die Verwendung von Cer als Partner für _scr,_erwanduneen verwendeten Materials bilden. In die chemische Reaktion mit Tritium. jedem Falle erzeugt es eine für Tritium undurchläs-

7. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach ^J Barriere die eine sofortige Verbindung des atoden Ansprüchen 1, 2 oder 3, gekennzeichnet 35 *_{ren TriJiums m}j_t dem Wasser des Sekundärkreisdurch die Verwendung von Yttrium als Partner ^ verhindert So ist von vornherein dafür geborgt, für die chemische Reaktion mit Tritium. _{daß sich kejn} »χ,-jtjumwasser« (HTO) bilden kann,

8. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach ^ _andernfa|_{ls mit} üblichen Filteranlagen nicht Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwcn- _ _yom „_ewönnlicnen Wasser trennen ließe und dung von Titan als Tritium absorbierendes Me- 40 ^ _en ^_{einer )angen} Halbwertzeit während der tall. Betriebszeit des Hochtemperaturreaktors im Sekun-

9. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach ^,.^,^ , _{m auf} unzulässige Werte aufAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusatz- ^ ,^ „ _würd/

lieh die Brennstoffelemente mit dem chemisch ^SC"^{a KC} _f'_eststoff^^nde Reaktionspartner, die sich reagierenden Partner des Tr.t.ums dotiert sind. 4S ^g™*™^ _Tritium chemisch binden, sind die

Metalle Zirkonium, Cer und Yttrium geeignet. Zr, Ce und Y besitzen hohe Wasserstoffaffinität und ge-

hen mit dem Tritium stabile Verbindungen in Form

₅₀ von Hydriden oder Hydroxiden ein. Als feststoffbildender Adsorptionspartner kommt Titan in Betracht,

Die Erfindung ferifh einen gasgekuhl.en Hoch- * Tjujn ^S^SS^SS^^Si temperaturreaktor mit einem primären Gas- und nat. uie 1r.iiumveronruu _h gebräuchlichen

eine^P _m sekundären Wasserkreislauf und zwischen bei- ^^^^

den angeordneten Wärmetauschern. ⁵⁵ Η^Ζηβ der erfindunßsgpmaikn »Tritiumbar-

In einem Hochtemperaturreaktor entsteht neben Herstellung der eninuuntsgcmdu _erfoleen

anderen Spaltprodukten auch atomares Tritium, das niere« kann beispielsweise ^el^;°^^ttsc^ ^ ⁰^ Pin reiner ii Strahler mit Energien von wobei das Element (Zr, Ce, Y oder Ti) bei der SL =8 KeV ist^Sund^hIee[ne ph sikaSSlbweri- gung der Wärmetauscherrohre in crforfj aSTvon 12,26 Jahren sowie eine biologische Halb- 60 Schichtdicke auf deren ^^^ wertzeit von 8 bis 12 Tagen besitzt. Das atomare Tri- aufgebracht wird. Mittels einer etwa 101 tium gelangt mit dem Kühlgas in die Wärmetauscher Zirkoniumschicht laßt sich z. B. die Tntium-DifuunLiffundiert durch deren Wandungen hindurch, so sionsrate durch die Wärmetauscherwandungen um daß es mit dem Sekundärmedium in Berührung etwa 2 Zehnerpotenzen reduzieren, kommt. Da als Sekundärmedium Wasser verwendet 6₅ Es gehört zwar zum Stand der Technik Bauelewird verbindet sich das atomare Tritium sofort mit mente aus Zirkonium oder aus einer Zinnlegierung diesem zu »Tritiumwasser« (HTO) und kann in die- als Schutz gegen eine Versprödung durch Wasserser Form an die Umgebung gelangen, was aus Stoffaufnahme metallisch mit einem Metall oder