DE1097050B - Verfahren zum Betreiben eines Reaktors - Google Patents

Description

• Verfahren zum Betreiben eines Reaktors Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Reaktors mit Spalt- und Brutmaterial zum Erzielen einer langen Laufzeit. Es besteht erfindungsgemäß darin, daß die sich selbst erhaltende Kettenreaktion jeweils nur in einem Teil des Reaktorkernes vorgenommen und während der Laufzeit in andere Teile oder Zonen des Kerns fortlaufend oder unterbrochen verschoben wird. Dadurch brennen alle Spalt- oder Brutstoff enthaltenden Teile des Reaktorkernes nacheinander aus. Die Steuerung und Verlagerung der Spaltzone erfolgt dabei durch die räumliche Verteilung des Brenn- bzw. Brutstoffes im Kern oder durch zusätzliche Regelorgane. Auf diese Weise kann die Laufzeit eines Reaktors praktisch beliebig verlängert werden, ohne daß der verbrauchte, starke radioaktive Kernbrennstoff aus dem Reaktorkern entfernt werden muß.
• Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist es möglich, daß im Reaktorkern zu Beginn der Laufzeit nur der für die erste Betriebszeit erforderliche Kernbrennstoff eingebracht wird und dem Kern während der Laufzeit zusätzlicher Brennstoff, gegebenenfalls anderer Zusammensetzung oder anderen Materials, Brutstoff oder Moderator zugesetzt wird.
• Der Reaktorkern zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist so ausgebildet, daß der Spalt-und/oder der Brutstoff unterschiedlich in ihrer Lage oder Dichte im Kern gelagert sind, so daß beispielsweise die Kettenreaktion und damit die Energieerzeugung zunächst in einem Reaktorteil mit hohem Anfangsgehalt an Spaltstoff erfolgt.
• Bei den bisher bekannten Energiereaktoren, die mit festen Brennstoffen arbeiten, muß in Abständen von etwa einem oder mehreren Jahren der im Reaktor befindliche Kernbrennstoff erneuert werden. Die Einrichtung für diesen Brennstoffwechsel erfordern im allgemeinen einen erheblichen Bauaufwand und stellen darüber hinaus große Anforderungen an das Bedienungspersonal. Gewisse Gefahrenmomente und Risiken lassen sich dabei meist nicht ganz vermeiden. Der Brennstoffwechsel ist bei den bisher bekannten Reaktoren erforderlich, weil durch- die Verminderung des Kernbrennstoffes im Kern während der Laufzeit und der gleichzeitigen Zunahme von neutronenabsorbierenden Spaltprodukten.- im Kern die Kettenreaktion nach einer bestimmten Laufzeit nicht mehr aufrechterhalten werden kann. Auch mit Reaktor-Sonderkonstruktionen, bei denen z. B. das gesamte Brennstoffgitter und damit die Reaktorkerngröße durch einen entsprechend ausgebildeten Mechanismus während des Betriebes verändert werden kann oder bei denen ein gasförmiges moderierendes Kühlmittel verwendet wird, so daß die Moderatormenge durch Verändern der Dichte des Kühlmittels während des Betriebes verändert werden kann, oder schließlich mit Konstruktionen, die zu Beginn der Laufzeit eine,.hohe überschußreaktivität in Verbindung mit zusätzlich eingesetzten, während der Laufzeit langsam verbrennenden Neutronenabsorbern enthalten oder die. zusätzlichen Brutstoffe, beispielsweise Thorium, verwenden, aus dem während des Betriebes neuer Brennstoff entsteht, wird keine entscheidende Verbesserung der Verhältnisse erreicht, da die Spaltprodukte in jedem Falle im Reaktorkern verbleiben und den Kern vergiften.
• Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wird, wie bereits ausgeführt, gemäß der Erfindung die sich selbst erhaltende Kettenreaktion jeweils nur in einem Teil des Reaktorkernes voxgenommen und diese Zone entsprechend der langsam zunehmenden Vergiftung nacheinander in andere Teile des Reaktorkernes, die noch nicht mit Spaltprodukten vergiftet sind, fortlaufend oder unterbrochen verschoben. Die Führung des Reaktorkühlmittels kann dabei eventuell ebenfalls verändert und nachgestellt werden. Selbstverständlich ist dabei der Reaktorkern im Prinzip größer als bisher üblich auszuführen.
• Für die praktische Durchführbarkeit des Verfahrens bestehen verschiedene Möglichkeiten.
• So kann beispielsweise bei einem gasgekühlten Reaktor der Reaktorkern aus einem festen, aus einzelnen Teilen bestehenden Moderatorblock aus .Graphit öder Beryllium bestehen, der mit Durchtritten für das Kühlgas versehen ist, in dein: sich der für die gesamte Laufzeit des Reaktorkernes erforderliche Brennstoff und Brutstoff in ungleichförmiger Verteilung befindet.
• Bei Verwendung von zusätzlichen Regel- bzw. Ausgleichsstäben kann der Spalt- und Brutstoff auch in gleichmäßiger Verteilung in den Kern, in dem, wie erwähnt, der Aüsbrand nür"zonenweise fortschreitend erfolgt, eingebracht werden. Enthalten die Regelstäbe dabei beispielsweise zusätzlichen Kernbrennstoff, dann kann der Kern selbst unterkritisch gehalten werden, was gewisse sicherheitstechnische Vorteile, insbesondere auch beim Aufbau des Kernes, bietet. Während des Betriebes werden dann die den zusätzlichen Kernbrennstoff enthaltenden Kontrollstäbe in den Kern eingeführt, und durch ihre Lage wird dann die Lage der Spaltzone bestimmt. _ Das Verfahren gemäß der Erfindung kann selbstverständlich auch verwirklicht werden, ohne daß in dem neuen Reaktorkern der für die gesamte Laufzeit erforderliche Brenn- und Brutstoff eingesetzt wird, sondern der erforderliche Brenn- und Brutstoff und gegebenenfalls auch der Moderator während der Betriebszeit jeweils in der Menge ergänzt und dem Kern zugesetzt wird, wie es für die Aufrechterhaltung der Kettenreaktion erforderlich ist. Die hierfür erforderlichen Beschickungswerkzeuge sind verhältnismäßig einfach, da damit nur neuer Brennstoff bzw. Stoffe, die nicht radioaktiv sind, gehandhabt werden. Der verbrauchte Kernbrennstoff bleibt auch hier im Reaktorkern. Die Regel- und Ausgleichsstäbe können Neutronenabsorber, Spaltstoff, Brutstoff oder auch Moderatorsubstanz enthalten. Mit ihnen können die Energieerzeugung, der Ausbrand und die Verlagerung der Spaltzone zusätzlich gesteuert werden.
• Die Zeichnung stellt den Gegenstand der Erfindung beispielsweise und vereinfacht dar. Es zeigt Abb.1 einen zylindrischen Moderatorblock mit axial durchlaufenden Kühlkanälen, Abb. 2 die Verteilung des Spaltstoffes und des Brutstoffes im neuen Reaktor gemäß der Darstellung in Abb. 1, Abb. 3 einen Reaktor mit lotrechtem Kern und im Laufe des Betriebes einbringbarem Spalt-, Brut- oder Moderatorstoff und Abb. 4 einen Reaktor mit verkürzter Kühlkanalführang.
• Der in Abb. 1 dargestellte Reaktor ist von einem Druckbehälter 1 umgeben, in dem das Kühlmittel durch den Stutzen 2 ein- und den Stutzen 3 austritt. Das Kühlmittel tritt durch im Moderatorblock 4 ange-,ordnete Kühlgaskanäle 5 und führt dabei die im Moderatorblock durch den eingelagerten Brennstoff und Brutstoff entstandene Wärme ab. Die Regel- und Ausgleichsstäbe 6 dienen zur Einstellung der Leistung des Reaktors.
• Die Konzentration des Spalt- und Brutstoffes im Moderator 4 des in Abb. 1 gezeigten Reaktors ist in Abb. 2 dargestellt. Die Konzentration K1 des Spaltstoffes erfolgt etwa gemäß der Darstellung der Kiirve 7 und die Konzentration K2 des Brutstoffes gemäß der Kurve 8; bezogen auf den neuen Reaktor. Der genaue Kurvenverlauf ist für jeden Einzelfall genau zu ermitteln. Die Kettenreaktion würde bei dem neu aufgebauten Reaktorkern im Bereich hoher Spaltstoffkonzentration, also etwa innerhalb des Teiles 9, einsetzen und sich während des Betriebes langsam, entsprechend dein im benachbarten Brutstoff erzeugten neuen Spaltstoff und der sich langsam aufbauenden Vergiftung, in Richtung der Zone 10 verschieben. Kurz vor dem Ende der Betriebszeit würde der Arbeitsbereich des Reaktors im Teil 11 liegen, wobei alle übrigen Teile ,des Reaktorblockes bereits ausgebrannt und vergiftet wären. Die Regelung des Reaktors erfolgt in bekannter Weise durch die Regel- und Ausgleichsstäbe 6. Es ist bereits darauf hingewiesen worden, daß, bei entsprechender Verwendung derartiger Stäbe, der Spalt- und Brutstoff auch in gleichmäßiger Verteilung in den. Kern eingebracht werden kann und die Regelung von Zone zu Zone dann durch entsprechendes Zurückziehen der Stäbe erfolgt. Es ist ebenfalls möglich, zusätzlichen Brennstoff in den Regelstäben anzuordnen.
• Bei dem in Abb. 3 gezeigten Reaktor mit lotrecht angeordnetem Kern kann der Betriebsstoff und gegebenenfalls auch der Moderator während der Betriebszeit eingesetzt werden. Er wird von oben mit Hilfe der Vorrichtung 12 auf den bereits arbeitenden Reaktorkern 4 aufgebracht. Die Vorrichtung kann verhältnismäßig einfach gestaltet sein, weil nur neue Stoffe zu handhaben sind, die noch nicht vergiftet sind. Dadurch wird die Reaktivität des Gesamtkernes erhöht und, da sich im unteren. Teil des Reaktorkernes 4 bereits Spaltprodukte gebildet haben und der Spaltstoff dort bereits stark verbraucht ist, verlagert sich die Spaltzone nach oben in Richtung des Pfeiles 13 etwa in eine Zone, wie sie in Abb. 2 als Zone 10 dargestellt ist. Wenn der axiale Flußverlauf etwa der Kurvendarstellung 14 im linken Teil dieser Abbildung entsprach, so wird er nach Aufbringen zusätzlichen Betriebsstoffes in der Zone 15 etwa- einen Verlauf haben, wie er in der Kurve 16 dargestellt ist.
• Auf diese Weise ist praktisch eine beliebige Verlängerung der Laufzeit des Reaktors möglich. Wie der Reaktorkern dabei im einzelnen aufgebaut ist, ist für das Prinzip unwichtig. Er kann beispielsweise im einfachsten Fall als lose Schüttung einzelner Moderatorteile, die den Brenn- und Brutstoff enthalten, ausgeführt werden, oder es können Blöcke verwendet werden, die mit der Beschickungsvorrichtung 12 auf den bereits arbeitenden Kern aufgeschüttet werden. Auch ist es möglich, bereits beim Bau der Reaktoranlagen den Möderatorblock in ganzer Größe vorzusehen und während des Betriebes lediglich Brenn- und Brutstoff nachzufüllen. Ebenso kann aber auch der Brutstoff bereits beim Bau der Reaktoranlage eingebracht werden.
• Besondere Beachtung muß bei Reaktorkernen gemäß der vorliegenden Erfindung der Führung des Kühlmittels gewidmet werden. Bei der Ausführung nach Abb. 1 und 3 durchströmt das Kühlmittel verhältnismäßig lange Kühlkanäle im Kern und erleidet dadurch einen verhältnismäßig großen Druckabfall. Diese Nachteile werden bei einer Anordnung, wie sie in Abb. 4 dargestellt ist, vermieden. Durch Verschieben der Gasleithülsen 17 wird hier der Kühlgasstrom jeweils auf die langsam durch den Kern wandernde Spaltzone abgestimmt. Die Anfangszustände sind mit 18, die Endzustände mit 19 bezeichnet. Zur Steuerung des Kühlgases kann an Stelle der Gasleithülse 17 selbstverständlich auch jede andere Armatur verwendet werden. Auch die Spaltzone kann gemäß der Erfindung während des Betriebes in jeder anderen Richtung durch den Kern verschoben werden, beispielsweise radial.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Betreiben eines Reaktors mit Spalt und Brutmaterial zum Erzielen einer langen Laufzeit, dadurch gekennzeichnet, daß die sich selbst erhaltende Kettenreaktion jeweils nur in einem Teil des Reaktorkernes vorgenommen und während der Laufzeit in andere Teile oder Zonen des Kerns fortlaufend oder unterbrochen verschoben wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktorkern zu Beginn der Laufzeit zunächst nur der für die erste Betriebszeit erforderliche Kernbrennstoff eingebracht wird und dem Kern während der Laufzeit zusätzlicher Brennstoff, gegebenenfalls anderer Zusammensetzung, Brutstoff und/oder Moderator zugesetzt wird.
3. 3. Reaktorkern zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt- und/oder Brutstoff unterschiedlich in ihrer Lage und/oder Dichte im Kern gelagert sind.
4. 4. Reaktorkern nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltstoff und der Brutstoff in der Weise im Reaktorkern angeordnet ist, daß die Kettenreaktion und damit die Energieerzeugung zunächst in einem Reaktorteil mit hohem Anfangsgehalt an Spaltstoff erfolgt.
5. 5. Reaktorkern nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kontrolle und Steuerung der Kettenreaktion und Leistung sowie der Verlagerung der Arbeitszone zusätzliche bewegliche Stäbe oder Kernteile, die Absorbermaterialien, Spaltstoffe, Brutstoffe oder Moderatormaterialien einzeln oder in beliebiger Kombination enthalten, vorgesehen sind.
6. 6. Reaktorkern nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Arbeitszone während des Betriebes in das Gebiet des zusätzlich zugeführten neuen Brennstoffes, Brutstoffes und/oder Moderators verschiebt.
7. 7. Reaktorkern nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelstrom durch verstellbare Leitorgane so durch den -Kern leitbar ist, wie es die örtliche Verteilung der Energieerzeugung erfordert. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1020 127, 1062 353.