DE2503137C2 - Heliumgekühlter Kernreaktor - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen heliumgekühlten Kernreaktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein heliumgekühlter Hochtemperaturreaktor kann eine Masse aus Graphitmoderator und Kernbrennstoff aufweisen, durch welche das Kühlgas im Wärmeaustausch mit dem Brennstoff hindurchgeführt wird. Das Kühlmittel tritt aus dem Reaktorkern Kohlenmonoxid vergrößert. Diese Nebenwirkungen sind unerwünscht, denn beispielsweise führt der Wasserstoff zu zusätzlichen Methan, was zur Aufkohlung der Nebenkreismaterialien führen kann. Auch ist der zusätzliche Graphitverlust der aus der Wassereinspritzung folgt unerwünscht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten Kernreaktor dahingehend weiterzubilden, daß seine Betriebsbedingungen durch Verringern des Wasserstoff-/Wasscr-Verhältnisses verbessert werden, und zwar ohne das Erfordernis, Wasser einzuspritzen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 gelöst

Gemäß der Erfindung wird bei einem heliumgekühlten Kernreaktor mit einem geschlossenen Hauptkühlkreis, welcher einen Wärmetauscher aufweist und einem für den Hauptkreis vorgesehenen Reinigungsnebenkreis, in welchem wenigstens eine Fraktion des Kühlmittels durch ein Oxidationsbett für Verunreinigungen und anschließend durch ein Absorptionsbett für oxidierte Verunreinigungen hindurchgeschickt und dann in den Kühlmittelkreis zurückgeführt wird, vorgeschlagen, eine weitere Kreislaufanordnung zur Rückführung von Wasser enthaltendem Gas aus einem Oxidationsbett in dem Hauptkühlkreis vorzusehen.

Die Erfindung sieht vor, daß ein Teil des im Nebenkreis durch Oxidation von Wasserstoff gebildeten Wassers in den Hauptkreis zurückgeführt wird, anstelle es in einem Absorptionsbett abzuscheiden. Das Wasserstoff/Wasser-Verhältnis wird dadurch verringert ohne daß der Wasserstoffanteil in dem Reaktor-Kühlkreh wesentlich erhöht wird, wobei gleichzeitig der Graphitverlust weniger stark beeinflußt wird als durch Wassereinspritzung.

Vorzugsweise wird das zurückgeführte Wasser enthaltende Gas über ein Absorptionsbett zur Abscheidung von Kohlendioxid geführt.

Bevorzugte Beispiele für erfindungsgemäße Kühlmittelkreise für gasgekühlte Kernreaktoren werden unter Bezug auf die schematischen Zeichnungen erläutert, welche die Fig. 1 bis 5 umfassen, aus denen alternative Anordnungen ersichtlich sind.

Aus F i g. 1 ist ein geschlossener Kühlkreis mit einem Reaktorkern 1 eines Hochtemperaturreaktors und einer Kesseleinheit 2 ersichtlich. Die Zufuhr von Verunreinigungen aus Wasserstoff und Wasser sind schematisch angedeutet. Derartige Verunreinigungen rühren teilweise vom Eindringen von Wasser in den Kreis aus der Kesseleinheit 2 her. Das im geschlossenen Kühlkreis strömende Heliumgas weist andere Verunreinigungen auf, in denen beispielsweise Kohlenmonoxid enthalten ist, welches aus der Reaktion von Wasser mit Graphit stammt. Der Kühlkreis hat einen Reinigungs-Nebenkreis 3 (Bypass), wodurch ein Teil des Kühlmittels nacheinander durch ein Oxidationsbett 4 aus Kupferoxid und ein Absorptionsbett 5 aus Kieselsäuregel (Silicagel) oder aktiviertem Kohlenstoff oder einem Molekularsieb hindurchgeführt wird. Die oxidierten Wasserstoff- und Kohlenmonoxid-Verunreinigungen werden in dem Bett 5 absorbiert und das im wesentlichen trockene, von Kohlendioxid freie Gas wird in den Kühlkreislauf zurückgeführt. Erfindungsgemäß ist eine Einrichtung zur Rückführung von Wasser enthaltendem Gas aus dem Oxidationsbett 4 in den Hauptkühlkreis vorgesehen. Diese Einrichtung umfaßt eine Leitung 6, in welche ein Absorptionsbett 5a mit einem Molekularsieb eingeschaltet ist. Auf diese Weise wird ein Teil des Wasserstoffanteils des Kühlgases in Wasser überführt und in den Kühlkreis zurückgeführt, wodurch das Wasserstoff/Wasser-Verhältnis ohne Erhöhung des Absolutanteils an Wasserstoff in dem Kreislauf verringert wird. Durch das verringerte

Wasserstoff/Wasser-Verhältnis werden die Wechselwirkungen zwischen dem Kühlmittel und den den Kühlkreis bildenden Materialien verringert. Der oxiilerte Anteil an Kohlenmonoxid aus der Gasfraktion wird durch das Molekularsieb absorbiert.

Aus F i g. 2 ist eine alternative Anordnung ersichtlich, die einen Nebenkreis 3 und einen Nebenkreis 3a aufweist Eine erste Kühlmittelfraktion wird durch den Nebenkreis 3 über ein Oxidationsbett 4 aus Kupferoxid und ein Absorptionsbett 5 aus einem Molekularsiebmaterial wie bei der im Zusammenhang mit F i g. 1 vorher beschriebenen Ausführungsform zirkuliert Eine zweite Kühlmittelfraktion wird durch den Nebenkreis 3a geführt welcher ein Oxidationsbett 7 aus Kupferoxid und ein Kohlendioxid-Absorptionsbett 5a mit geringeren Aufnahmevermögen als die Betten 4 und 5 enthält Die Nebenkreise weisen jeweils voneinander unabhängige Strömungssteuereinrichtungen 8 auf, so daß es möglich ist den Wasserstoff und einen veränderbaren Anteil des Kohlenmonoxids durch Einstellung der Temperatur des Bettes 7 zu oxidieren. Auf diese Weise kann eine gewisse Steuerung der Konzentrationen an Kohlenmonoxid und Kohlendioxid durchgeführt werden, ohne daß der Wasserstoff- und Wasserhaushalt im Primärkreis gestört wird.

In der Anordnung gemäß F i g. 3 weist ein Nebenkreis 9 zwei Oxidationsbetten 10 und 11 und ein Absorptionsbett 12 in Hintereinanderschaltung auf. Außerdem ist eine Leitung 13 zur Rückführung eines Teils des aus dem Bett 10 austretenden nassen (teilweise oxidierten) Gases in den Hauptkühlkreis vorgesehen. Wenngleich ein geringer Anteil des Kohlenmonoxidgehaltes aus derr, Gaskreis 9 in Kohlendioxid überführt wird und mit etwas Kohlenmonoxid in den Hauptkühlkreis über die Leitung 13 zurückgeführt wird, wird der größere Anteil des Kohlenmonoxidgehaltes der abgezweigten Fraktion im Bett 11 in Dioxid überführt und in dem Bett 12 absorbiert.

In der aus F i g. 4 ersichtlichen Anordnung sind zwei unabhängige Nebenkreise 3 und 14 vorgesehen. Der Nebenkreis 3 ist mit dem Nebenkreis 3 aus F i g. 1 identisch. Der Nebenkreis 14 jedoch enthält ein Katalysatorbett 15, wie beispielsweise aus im aktivierten Zustand gehaltenem Platin (engL supported platinum). Dem Bett 15 wird durch Injektion Sauerstoff zugeführt, welches vorzugsweise mit dem Wasserstoff reagieren soll, wodurch das Kohlenmonoxid nicht umgesetzt verbleibt

Gemäß F i g. 5 weist ein Nebenkreis 16 in Hintereinanderschaltung ein Oxidationsbett 17 aus Kupferoxid, ein Absorptionsbett 18 aus einem Molekularsiebmaterial zur Absorption von Kohlendioxid und ein Absorptionsbett 19 aus einem Molekularsieb für Wasser auf. Eine Leitung 20 führt einen Teil des nassen (jedoch im wesentlichen von Kohlendioxid freien), aus dem Bett 18 heraustretenden abgezweigten Gases in den Hauptkühlkreis zurück.

Die in den F i g. 1 bis 5 dargestellten Ausführungsformen verfeinern den Rezirkulationsprozeß gemäß der Erfindung durch Schaffung einer flexiblen Steuerung der Kühlmittelzusammensetzung. Eine derartige Steuerung kann verwendet werden zum:

1. Anheben der Wasserkonzentration ohne den Wasserstoff- oder Kohlenmonoxidanteil wesentlich zu erhöhen,

2. Steuern der Kohlenmonoxidkonzentration unabhängig vom Anteil an Wasserstoff und Wasser,

3. Unterdrücken der Rezirkulation von Kohlendioxid und

4. Erzielen eines geringeren Graphitverlustes, welcher aus dem Einspritzen von Wasser in den Kreislauf folgen könnte.

Die in F i g. 2 gezeigte Anordnung ist verhältnismäßig einfach und wird derzeit wegen ihrer Flexibilität und einfachen Steuerbarkeit bevorzugt. Sie weist ein weiteres vorteilhaftes Merkmal dadurch auf, daß sie zur Schaffung einer zusätzlichen Einheit zur Entfernung von Sauerstoff während dem von einer ausgedehnten Betriebspause gefolgten anfänglichen Austreiben von Kühlmittel verwendet werden kann. Dies wird dadurch erreicht, daß zuerst Kupferoxid (aus dem Oxidationsbett) mit Wasserstoff zu Kupfer reduziert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Heliumgekühlter Kernreaktor mit einem geschlossenen Hauptkühlkreis, der einen Wärmetauscher aufweist, und einem für den Hauptkreis vorgesehenen Reinigungs-Nebenkreis, in welchem wenigstens ein Teil des Kühlmittels des Hauptkreises durch ein Oxidationsbett für Verunreinigungen und anschließend durch ein Absorptionsbett für oxidierte Verunreinigungen hindurchgeführt und Ό dann in den Hauptkühlkreis zurückgeführt wird, gekennzeichnet durch einen weiteren Kreis (6, 3a, 13, 14, 20) zur Rückführung Wasser enthaltenden Gases aus einem Oxidationsbett (4,7, 15,17) in den Hauptkühlkreis.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Absorptionsbett (5a, 18) zur Entfernung von Kohlendioxid aus dem in den Hauptkühlkreis zurückgeführten Wasser enthaltenden Gas.

3. Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Kreis für den Hauptkreis einen zweiten Nebenkreis (3a) bildet, der parallel zu dem ersten Nebenkreis (3) geschaltet ist und ein Oxidationsbett (7) und ein Kohlendioxid-Absorptionsbett (5a) aufweist und daß Strömungssteuerventile (8) zur wahlweisen Veränderung der Strömungsrate des Gases durch die beiden Nebenkreise vorgesehen sind (F i g. 2).

4. Kernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nebenkreis (16) in Reihenschaltung ein Oxidationsbett (17), ein Kohlendioxid-Absorptionsbett (18) und ein Wasser-Absorptionsbett (19) aufweist und der weitere Kreis (20) zur Rückführung Wasser enthaltenden Gases in den Hauptkreis zwischen den Absorptionsbetten (18 und 19) abgezweigt ist (F i g. 5).

5. Kernreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zweites Oxidationsbett (11) unmittelbar vor dem Absorptionsbett (12) im Nebenkreis (9), wobei der weitere Kreis (13) zur Rückführung Wasser enthaltenden Gases aus einem Oxidationsbett in den Hauptkühlkreis von einer Verbindung zwischen den beiden Oxidationsbetten (10, 11) bis zum Hauptkühlkreis verläuft (F i g. 3).

6. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Kreis (14) parallel zu dem ersten Nebenkreis (3) geschaltet ist und ein Katalysatorbett (15) sowie eine Injektionseinrichtung zur Führung von Sauerstoff über das Katalysatorbett aufweist (F i g. 4).

7. Kernreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatorbett (15) aktiviert gehaltenes Platin aufweist.