DE3200512A1

DE3200512A1 - Brutzone fuer einen kernreaktor

Info

Publication number: DE3200512A1
Application number: DE19823200512
Authority: DE
Inventors: John W.H. Pittsburgh Pa. Chi
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1981-05-12
Filing date: 1982-01-11
Publication date: 1982-12-09
Also published as: IT8241501A0; GB2098382A; GB2098382B; JPS57187686A; IT1159751B; FR2506060A1; US4430291A; CA1188825A

Description

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Brutzone für einen Kernreaktor

Die Erfindung betrifft eine Brutzone für einen Kernreaktor und vorzugsweise eine gepackte Fließbett-Brutzone für einen Fusionsreaktor mit zumindest einem langgestreckten Rohr, in welchem Brenn- bzw. Brutstoffteilchen enthalten sind und welches mit Einrichtungen zum Führen und Einleiten von Kühlmittel in das Rohr ausgebildet ist.

Fusionsreaktoren erzeugen energiereiche Neutronen, welche vorzugsweise in einer Brutzone eingefangen werden, die im wesentlichen den Kern des Reaktors umgibt. In einem hybriden Fusions-Spaltreaktor enthält die Brutzone brütbares Material, um daraus spaltbares Material zu gewinnen und um Energie durch neutroneninduzierte Spaltung zu erzeugen. In einem reinen Fusionsreaktor enthält die Brutzone brütbares Material, welches Neutronen einfängt, wodurch wertvolle Isotopen gewonnen werden. Bei beiden Reaktortypen wird die Brutzone mit Hilfe eines die Brutzone durchfließenden Kühlmittels gekühlt, um Wärme abzuleiten.

Die Ausbildung einer geeigneten Brutzone wird bei der Entwicklung eines leistungsstarken Fusionsreaktors als besonders schwierig angesehen. Es wurden schon mehrere Konzepte vorgeschlagen, welche flüssiges Lithium oder festes Lithium zum Brüten von Tritium enthalten oder festes brütbares Material zum Ausbrüten von spaltbarem Material vorsehen, sowie ferner gasförmige flüssige Kühlmittel und sogar Kühlmittel in Kugelhaufenform umfassen. Alle diese Vorsehläge sind auch mit Nachteilen behaftet. Bei einer Brutzone mit festem Material müssen diese Materialien zur Rückgewinnung der Isotopen oder zur Reparatur der Brutzone entfernt werden. Bei der Verwendung von flüssigem Lithium oder anderen Flüssigmetallen beim Vorhandensein starker

magnetischer

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magnetischer Felder, z.B. bei einem Fusionsreaktor mit einem das Plasma umgebenden Magnetzylinder, treten starke magnetohydrodynamische Kräfte auf, welche die Verwendbarkeit begrenzen. Gasgekühlte Brutzonen haben aufgrund der dem Kühlmaterial eigenen geringeren Materialdichte eine geringere Effizienz bezüglich der Wärmeabfuhr. Für Kugelhaufen-Brutzonen wird in der Regel eine unverhältnismäßig hohe Pumpleistung für den Transport des Kühlmittels erforderlieh.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu finden um eine Brutzone für vorzugsweise einen Fusionsreaktor zu schaffen, welche im On-line-Betrieb beschickt werden kann, eine hohe Dichte hat und für die Produktion hoher Leistungen und wertvoller Isotopen gut geeignet ist.

Diese Aufgabe wird für eine Brutzone der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß weitere Einrichtungen zum Einleiten eines Strömungsmittelflusses vorhanden sind, welcher auf die Brenn- bzw. Brutstoffteilchen im Rohr einwirkt und eine Fluidisierung bewirkt.

Während dem Reaktorbetrieb fließt das Kühlmittel, z.B. Helium, radial durch das Brutzonenbett aus festem Brenn- bzw. Brutstoffteilehen und führt Wärme ab, welche zur Erzeugung von Energie Verwendung findet. Da der radiale Kühlmittelfluß verhältnismäßig kurz ist im Vergleich mit der axialen Erstreekung der Druckrohre, wird die Pumpleistung für das Kühlmittel stark verringert, so daß auch mit einem entsprechend geringeren Kühlmitteldruck gearbeitet werden kann.

Während der Beschickung, sei es für die Erstbesehickung oder während einer späteren Nachbeschickung wird der radiale Kühlmittelstrom unterbrochen und ein zweiter Strömungsmittelfluß ausgelöst, der axial durch das Teilchenbett verläuft. Das hierbei verwendete Strömungsmittel kann vorzugsweise das gleiche wie das Kühlmittel sein. Diese Fluidisierung der Brenn- bzw. Brutstoffteilchen dient dazu, diese Teilchen aus den Druckrohren hinauszutransportieren, um sie entweder zu ersetzen oder einer Aufarbeitung zu unterziehen. Diese Beschickung erfolgt intermittierend während der Abschaltung des Reaktors, jedoch kann sie auch während dem Betrieb durchgeführt werden.

Der

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Der On-line-Betrieb bezüglich der Beschickung ist von besonderem Vorteil bei einem hybriden Fusions-Spaltreaktor, da die Spaltrate aufgrund der Ausbildung spaltbarer Kerne durch die Neutronenreaktion in brütbaren Kernen durch ein entsprechendes Entfernen von angereicherten Teilchen und Zuführen neuer brütbarer Teilchen gesteuert werden kann. Auch bei einem reinen Fusionsreaktor kann die Nettoausbeute vom Reaktor mit radioaktiv abklingendem Tritium verbessert werden, indem entweder ein Austausch kontinuierlich oder schrittweise erfolgt und die Isotopen frühzeitig verwendet werden.

Eine spezielle Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Brutzone mit einer Mehrzahl von Einrichtungen zum Einleiten des Strömungsmittelflusses zur Fluidisierung der Brenn- bzw. Brutstoffteilchen im Rohr versehen ist, um schrittweise eine Fluidisierung möglich zu machen und die Teilchen bereichsweise zu entfernen, so daß die für die Fluidisierung benötigte Pumpleistung verhältnismäßig klein gehalten werden kann. Die Einrichtungen zur Fluidisierung der Teilchen bestehen aus Rahmen, Gittern oder sonstigen geometrischen Gebilden, mit welchen das Strömungsmittel über den Querschnitt der gepackten Teilchen eingeleitet werden kann.

Die Erfindung mit ihren Vorteilen und Merkmalen wird anhand eines auf die Zeichnung bezugnehmenden Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Darstellung einer Brutzonenausgestaltung,

Fig. 2 eine schematisierte Schnittansicht eines Tokamak-Reaktors,

Fig. 3 eine teilweise geschnitte Ansicht eines Druckrohres, Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV der Fig. 3, Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie V-V der Fig. 3,

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Anordnung von Bruckrohren.

Bei

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Bei dem in Fig. 1 schematiseh dargestellten Abschnitt eines Tokama-Fusionsreaktors findet eine gepackte Fließbett-Brutzone Verwendung. Der Kernbereich 1 wird von einer Vielzahl von Druckrohren 2 umgeben, die aus inneren Druckrohren 4 und äußeren Druckrohren 5 bestehen und die Brenn-Stoffteilchen des gepackten Fließbettes enthalten.

In Fig. 2 ist die Feldspule 6 und die Abschirmung 7 dargestellt, welche die Brutzone umgeben. In einem Vakuumkessel 8 ist der Kernbereich 1 enthalten. Die inneren und die äußeren Druckrohre 4 und 5 sind jeweils mit einem Kühlmitteleinlauf 9 und einem Kühlmittelauslauf 10 versehen, welche an einlaufseitige Verteiler 11 und auslaufseitige Verteiler 12 angeschlossen sind. Diese Verteiler stehen mit den Druckrohren 4 und 5 in Verbindung.

In Fig. 3 ist sehematisch ein Druckrohr dargestellt, welches mit einem rohrförmigen Kühlmitteleinlauf 13 und einem rohrförmigen Kühlmittelauslauf 14 versehen ist. Ferner ist ein Anschluß 15 mit dem Druckrohr verbunden, über welche Brennstoff- bzw. Brutstoffteilchen 17 zugeführt und entfernt werden können. Der Anschluß 15 kann derart ausgeführt sein, daß die Brennstoffbzw. Brutstoffteilchen einer Vielzahl von Druckrohren 2 über die Verteiler zugeführt werden. Jedoch ist auch vorgesehen, jedes einzelne Druckrohr mit einem Anschluß zu versehen.

Die Druckrohre 2 sind mit Räumrahmen 18 in verschiedenen Höhenlagen versehen. Diese Räumrahmen 18 sind an eine nicht dargestellte Strömungsmittelquelle angeschlossen, welche entweder jedem einzelnen Räumrahmen 18 individuell zugeordnet ist oder gruppenweise eine Vielzahl von Räumrahmen einer gemeinsamen Höhenlage versorgt.

In der Schnittdarstellung gemäß Fig. 4 wird mit einem Pfeil 19 die Richtung des Kühlmittelflusses während des Reaktorbetriebs angedeutet. Stützwände 20 dienen als Verteiler 21 und 22 für den Kühlmitteleinlaß bzw. Kühlmittelauslaß und sind mit Bohrungen 23 versehen, die den Durchtritt des Kühlmittels entsprechend der gewünschten Verteilung zulassen. An den Stützwänden 20 sind ferner Gitter 24 angebracht, dessen Maschengröße die Brennstoff- bzw.

Brutstoffteilchen

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Brutstoffteilehen 17 zurückhält.

Die Druckrohre können abweichend von der Darstellung auch einen vom kreisförmigen Querschnitt verschiedenen Querschnitt haben und können insbesondere rechteckig oder quadratisch ausgebildet sein. Es ist jedoch jede andere geometrische Form ebenfalls verwendbar.

In der Schnittdarstellung gemäß Fig. 5 ist der Räumrahmen 18 dargestellt, der im vorliegenden Fall einer quadratischen Konfiguration folgt. Es sind jedoch auch andere geometrische Ausführungsformen verwendbar. Dieser Räumrahmen 18 dient dem Zweck der Fluidisationsverteilung über den Querschnitt , um das Strömen der Teilchen in der vorgesehenen Richtung zu bewirken.

Wegen der geometrischen Form des Reaktors ist der Kreisumfang auf der Innenseite des Reaktors Li kleiner als auf der Außenseite L2 · Um entsprechend genügend Druckrohre 2 installieren und in den Strahlungsweg einfügen zu können, ist es notwendig, in gewissen Bereichen eine Überlappung 25 z.B. oben und unten am Kern gemäß Fig. 6 vorzusehen. In den übrigen Bereichen 29 liegen die Druckrohre 2 ohne Überlappung aneinander an.

Zur Erläuterung des Konzeptes der gepackten Fließbett-Brutzone wird ein Betriebszyklus des Reaktors beschrieben. Vor der Inbetriebnahme des Reaktors werden alle Druckrohre 2 mit Brennstoff- bzw. Brutstoffteilchen 17 über den Anschluß 15 gefüllt. Das Packen des Bettes mit einer großen Dichte ist wünschenswert, da eine große Dichte die Neutronenabsorptionsrate verstärkt, welche die nützliche Kerntransformation einerseits bewirkt und andererseits eine effiziente Ausnützung des Volumens der Brutzone zuläßt, sowie die Effizienz der Energieabgabe im Fließbett verbessert. Nach dem Füllen der Druckrohre werden am Anschluß 15 nicht dargestellte Ventile geschlossen. Nunmehr wird das Hauptkühlungsmittel über den Kühlmitteleinlauf 13 zugeführt, welches durch einen Hohlraum 21 gemäß Fig. 4 fließt und dabei durch das Gitter 24 sowie die Bohrungen 23 in das gepackte Fließbett 26 mit den Brennstoff- bzw. Brutstoffteilchen eindringt. Während der Abschaltung des

Reaktors

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Reaktors wird der Kühlmittelfluß gestopt und die Fluidisation ausgelöst. Die die Fluidisation auslösende Strömung tritt über die Räumrahmen 18 in das Fließbett 26 ein und strömt durch diese axial nach oben zum Anschluß 15 , über welchen die Brennstoff- bzw. Brutstoffteilchen 17 ausgetragen werden. 5

Wenn es an der Zeit ist, Teilchen für die Aufbereitung zu entfernen und zu ersetzen wird der Fluidisationsfluß über die Räumrahmen 18 mit einer ausreichend hohen Strömungsgeschwindigkeit ausgelöst, um das Austreten der Teilchen aus der Brutzone über den Anschluß 15 zu gewährleisten.

In den Druckrohren sind eine Vielzahl von Räumrahmen 18 angebracht, um einerseits den notwendigen Druck zur Auslösung des Fluidisationsflusses zu verringern und andererseits das Entfernen der Teilchen zu erleichtern. In der Praxis werden die Räumrahmen 18 nacheinander tätig und zwar entsprechend der Buchstabenfolge A bis F gemäß Fig. 3, um das Fließbett langsam von Teilchen zu befreien. Durch eine genügende Anzahl von Räum rahmen 18 kann man dafür sorgen, daß der notwendige Fluidisationsdruck und der Kühlmitteldruck etwa gleich sind, wodurch sich die Wandstärke 28 auf eine minimale Größe verringern läßt. Der Fluidisationsfluß dient nicht nur dem Entfernen von Brennstoff- bzw. Brutstoffteilchen sondern auch der Unterstützung des Sicherheitssystems, um bei einem Sicherheitsrisiko oder im Gefahrenfall Wärmö .· abzuleiten. Ferner kann der Fluidisationsfluß dazu benutzt werden, die Teilchen zu vermischen, um sie einer gleichmäßigen Bestrahlung auszusetzen.

In der nachfolgenden Tabelle sind Parameter angegeben, wie sie bei einer bevorzugten Ausführungsform einer gepackten Fließbett-Brutzone bei einem kommerziellen Tokamak-Hybridreaktor Verwendung finden.

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Tabelle

1. Gepackter Fließbettbetrieb Helium einla ßdruck Helium einla ß tem peratur Heliumflußrate Heliumdruckabfall im Fließbett Heliumgesamtpumpleistung

Angenommener Spitzenwert der örtlichen Leistungsdichte Maximaler Grenzschichttemperaturabfall

ca. 50 bar 350 ° C 1800 kg/s 0,166 MPa 8,8 MWE

(< 0,5 % der thermischen Brutzonenleistung)

50 W/cm³

(zwischen Teilchen und Kühlmittel) =	0,65 ⁰C
Maximale Teilchentemperatur =	480 ο c
2. Fluidisierter Fließbettbetrieb
Stufenhöhe	2 m
Anzahl der Stufen =	5
Druckabfall für Fluidisation =	0,141 MPa
Fluid (Helium) Einlaßdruck =	ca. 30 bar
Heliumtemperatur =	77 ° C
Fluidisationsgeschwindigkeit =	0,41 m/s
Heliumflußrate für volle Brut
zone =	265 kg/s
H eliu m pum pleistu ng
(bei Nachladung von jeweils
einem Brutzonensegment mit
insgesamt 32 Segmenten) =	7,8 MWe

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3. Sieherheitskühlparameter der Brutzone

Länge der Kühlmittelstrecke = (Strömung durch den untersten
Räumrahmen)

Mittlerer Kühlmitteldruck =

Kühlmitteleinlaßtemperatur =

Kühlmitteldifferenztemperatur =

Heliumflußrate =

Wärmeniveauabnahme =

Druckabfall in der Brutzone =

Gesamter Druckabfall =

Kühlmittelpumpleistung =

10 m

ca. 30 bar 100 ° C 300 ° C 126 kg/s 0,01 der Gesamtleistung 0,209 MPa 0,251 MPa 0,66 MWe

15 Der Fluidisationsstrom und der Kühlmittelstrom können, wenn sie niemals vermischt sondern durch verschiedene Betriebsperioden voneinander getrennt sind, aus unterschiedlichen Komponenten bestehen, wie z.B. Helium und Kohlendioxid und sogar Wasser enthalten. Für den Brennstoff- bzw. Brutstoff können folgende Materialien Verwendung finden: UO, UC, ThO2 ,

20 Th-2R, LiPb2 , L2O. In einem Größenbereich von etwa 40 bis 330 /um können die Teilchen als Mikrokugeln bezeichnet werden.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

Brutzone für einen Kernreaktor mit zumindest einem langgestreckten Rohr, in welchem Brenn- bzw. Brutstoffteilchen enthalten sind und welches mit Einrichtungen zum Führen und Einleiten von Kühlmittel in das Rohr ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Einrichtungen (18) zum Einleiten eines Strömungsmittelflusses vorhanden sind, welcher auf die Brenn- bzw. Brutstoffteilchen im Rohr einwirkt und eine Fluidisierung bewirkt.

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2.) Brutzone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Führen und Einleiten des Kühlmittels in das Rohr das Kühlmittel grundsätzlich radial durch das langgestreckte Rohr leiten, wogegen die Einrichtungen zum Einleiten des Strömungsmittelflusses in der Lage sind, in dem Rohr eine grundsätzlich axial verlaufende Fluidisierung zu bewirken.
3.) Brutzone nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Einleiten eines Strömungsmittelflusses aus zumindest einem Rahmen (18) in jedem Rohr bestehen.

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