DE1278029B - Verfahren zur Steuerung eines mit Kohlenwasserstoffen moderierten Kernreaktors - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G21d

Deutsche Kl.: 21g-21/31

Nummer: 1278 029

Aktenzeichen: P 12 78 029.9-33 (C 34645)

Anmeldetag: 15. Dezember 1964

Auslegetag: 19. September 1968

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines mit Kohlenwasserstoffen moderierten Kernreaktors und die Verdünnungsmittel zur Durchführung des Verfahrens.

Ein Kernreaktor benötigt eine gewisse Menge spaltbaren Materials, die sogenannte kritische Masse, damit die Kettenreaktion aufrechterhalten wird. An dem Punkt der Kritikalität wird die Neutronenerzeugung und Spaltung durch den Neutronenleckverlust und die Neutronenabsorption genau ausgeglichen. Während das Spaltmaterial verbraucht und in Spaltprodukte übergeführt wird, erreicht der Reaktor einen Punkt, an dem er nicht mehr kritisch ist, d. h., die Kettenreaktion bricht ab. Zu diesem Zeitpunkt muß der Reaktor stillgelegt und der Brennstoff erneuert werden.

Für den wirtschaftlichen Betrieb eines Kernreaktors ist es erforderlich, daß anfänglich ein wesentlicher Überschuß an Spaltmaterial vorhanden ist, so daß der Reaktor während einer angemessenen Zeitdauer betrieben werden kann, bevor es notwendig wird, den Brennstoff zu erneuern. Mit einem Überschuß an Spaltmaterial sind auch mehr Neutronen vorhanden, als zur Aufrechterhaltung der Kettenreaktion notwendig sind. Das ist dann der Fall, wenn der effektive Multiplikationsfaktor k_eü größer als 1 ist. Der Faktor k_M ist definiert als das Verhältnis der in jeder Generation erzeugten mittleren Neutronenzahl zu der Gesamtzahl der im Brennstoff oder Moderator absorbierten oder durch Leckverlust austretenden Neutronen. Ist k_ei{ größer als 1, so ist das System divergent und wird »durchgehen«, wenn es in diesem Zustand bleibt.

Für die Aufrechterhaltung einer gesteuerten Kernreaktion ist es erforderlich, daß diese überschüssigen Neutronen absorbiert oder, ohne eine Spaltung zu verursachen, eingefangen werden oder daß sie aus dem Reaktor austreten können. Bei den bekannten Steuerverfahren wird Brennstoff, Moderator, ein Neutronen reflektierendes Material oder ein Neutronenabsorber zugeführt oder entfernt. Dabei ist sowohl die Verwendung von Regelstäben und brennbaren Giften als auch ein solches System eingeschlossen, in dem die Brennstoffmenge im Kern, wie z. B. in einem homogenen Reaktor, variiert wird.

Die kritische Masse eines thermischen Reaktors hängt von dem Energiespektrum der Neutronen ab. Die kritische Masse wird verringert, wenn die Zahl der Neutronen mit thermischer Energie wächst, da im thermischen Reaktor die Spaltung in erster Linie von Neutronen mit thermischer Energie bewirkt wird. Thermische Neutronen sind Neutronen, deren Energie Verfahren zur Steuerung eines mit
Kohlenwasserstoffen moderierten Kernreaktors

Anmelder:

Combustion Engineering, Inc., Windsor, Conn.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,

7000 Stuttgart, Rotebühlstr. 70

Als Erfinder benannt:

Sidney Visner, West Hartford, Conn. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 27. Dezember 1963
(333 884)

so groß ist, daß sie mit dem Material ihrer Umgebung im thermischen Gleichgewicht stehen. Daher hängt die spezifische Energie von der Temperatur ab. Dabei ist ersichtlich, daß am Lebensanfang des Reaktors, wenn die Menge des Spaltmaterials und daher der Neutronenüberschuß am größten ist, die Steuerung durch Verringerung des Bremsvermögens des Reaktors realisiert werden kann, weil dadurch weniger thermische Neutronen erzeugt werden. Mit fortschreitender Zeit und abnehmender Menge des Spaltmaterials kann das Bremsvermögen gesteigert werden, um zusätzliche Bremsenergie und daher zusätzliche thermische Neutronen zur Aufrechterhaltung der Kettenreaktion zu schaffen. In der USA.-Patentschrift 3 081246 wird ein Kernreaktor und ein Verfahren zu seiner Steuerung beschrieben, bei dem Wasser als Hauptkühlmittel und Moderator wirkt. Die Steuerung des Reaktors wird durch Variation des Verhältnisses von schwerem und leichtem Wasser in der Kühlbremsmischung bewirkt. Verschiedene Materialien verringern die Energie der Neutronen bei einem Zusammenstoß in verschiedenem Ausmaß. Je niedriger die Massenzahl der Atome des Materials ist, desto besser wirkt es als Moderator, solange es nicht in merkbarem Ausmaß Neutronen absorbiert. Deuterium hat eine höhere Maßzahl als Wasserstoff und daher ein geringeres Bremsvermögen. Deshalb

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kann durch Regelung der Anteile von leichtem und Andere Materialien, die verwendet werden könnschwerem Wasser der Reaktor gesteuert werden. ten, wie z. B. den Fluorkohlenwasserstoffen analoge Dieses bekannte Steuerverfahren wird durch die vor- Verbindungen der Benzene, Naphthalene und des liegende Erfindung auf neuartige Weise ausgeführt. Triphenyls, werden in dem Report TID 7622, S. 109

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen 5 bis 120, vom Juli 1962, behandelt.

Kernreaktor, insbesondere einen Brütreaktor mit Zusätzlich zu diesen chemischen Varianten können

einem organischen Moderator zu schaffen, dessen durch Isotope wirkende Verdünnungsmittel verwendet

Bremsvermögen zur Steuerung der Reaktivität vari- werden, wie z. B. Kohlenwasserstoffe, in denen der

iert werden kann. Wasserstoff durch Deuterium ersetzt ist. Die Synthese

Gemäß der Erfindung wird bei Beginn der Inbe- io von Biphenyl, in dem der Wasserstoff durch Deute-

triebnahme der Kohlenwasserstoffmoderator mit rium ersetzt ist, wird in dem Journal of Organic

Fluorkohlenwasserstoffen so verdünnt, daß der Reak- Chemistry, Bd. 26, S. 243 bis 245 (1961), beschrieben,

tor gerade kritisch ist und dann während des Betriebes Zu Betriebsbeginn des gemäß der vorliegenden Er-

zur Steigerung des Bremsvermögens und zur Auf- findung betriebenen Reaktors müßte eine große rechterhaltung der Kritikalität das Verhältnis des 15 Menge des Verdünnungsmittels im Moderator, d. h.

Kohlenwasserstoffes zum Verdünnungsmittel ver- eine große Menge Fluorkohlenwasserstoffe in einem

größert. Kohlenwasserstoffmoderator, enthalten sein. Da die

Kernreaktoren mit organischen Moderatoren und Fähigkeit des Moderators, die Energie der Neutronen

Kühlmitteln sind bekannt. Zum Beispiel ist ein Reak- zu verringern, verkleinert wird, wird die mittlere tor, der Diphenyl als Moderator verwendet, in der 20 Energie der Neutronen groß sein. Die Menge der

USA.-Patentschrift 2 708 656 beschrieben. Mischun- Fluorkohlenwasserstoffe wird so eingestellt, daß

gen von Diphenyl und Triphenyl werden in dem gerade genug thermische Neutronen zur Aufrecht-

OMRE (Organic Moderated Reactor Experiment) erhaltung der Kettenreaktion erzeugt werden. Der

verwendet (vgl. Nucleonics, Bd. 14, Nr. 5, S. 22, Mai große Neutronenüberschuß wird daher eine hohe 1956). 35 Energie besitzen, und diese Neutronen werden leicht

Zum besseren Verständnis wird die Erfindung jetzt von dem Spaltrohstoff im Kern zur Erzeugung von

an Hand der Zeichnungen beschrieben. In diesen Spaltmaterial eingefangen. Mit fortschreitender Zeit,

Zeichnungen zeigt wenn sich die Menge des Spaltmaterials verringert

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Reak- und mehr thermische Neutronen zur Aufrechterhaltoranlage, 30 rung der Kettenreaktion notwendig sind, wird die

Fig. 2 graphisch die Änderung der kritischen Menge des Fluorkohlenwasserstoffes oder eines

Masse als Funktion der Änderung des Moderators. anderen Verdünnungsmittels zur Steigerung des

Zur Steuerung muß das Bremsvermögen des orga- Bremsvermögens und um mehr thermische Neutronen nischen Moderators während der Lebensdauer des zu schaffen, verringert. In diesem Stadium sind Reaktorkerns geändert werden. Das Bremsvermögen 35 weniger schnelle Neutronen vorhanden, die zur Umeines organischen Moderators wird hauptsächlich Wandlung des Spaltrohstoffes beitragen, durch den Wasserstoff in der organischen Substanz In F i g. 1 ist eine Kernreaktoranlage dargestellt, hervorgerufen. Um das Bremsvermögen zu variieren, Der Kernreaktor 10 hat einen Kühlmitteleinlaß 12 muß deshalb die Wasserstoffmenge geändert werden, und einen Auslaß 14 und Regelstäbe 16. Der Reaktor und dies wird durch eine Verdünnung des Ursprung- 40 ist von dem konventionellen heterogenen Typ mit liehen Kohlenwasserstoffmoderators mit Materalien, einem Kern, in dem sowohl Spaltmaterial als auch die weniger Wasserstoffe enthalten, erreicht. Das Brütstoff getrennt voneinander angeordnet sind. Das Verdünnungsmittel muß mit dem ursprünglichen Kühlmittel strömt von dem Reaktor über eine Lei-Kohlenwasserstoff mischbar, verhältnismäßig nicht- tung 18 zu der Wärmeaustauschereinheit 20. Nach korrosiv und unter Einwirkung der Strahlung ver- 45 dem Durchströmen der Wärmeaustauschereinheit 20 hältnismäßig stabil sein. Es gibt viele substituierte wird es über die Leitung 22 dem Reaktor wieder Kohlenwasserstoffe, die verwendet werden können, zugeführt und so der Kreis geschlossen. Eine Pumpe es werden aber Fluorkohlenwasserstoffe vorgezogen. 24 in der Leitung 22 erzeugt und steuert den Fluß. Sie sind besonders gut zur Verwendung in dem Mo- Das Kühlmittel gibt in der Wärmeaustauschereinheit derator geeignet, da sie im allgemeinen mischbar, 50 seine Wärme an siedendes Wasser ab. Dieses Wasser nichtkorrosiv und im Hinblick auf die Strahlung sta- tritt in die Einheit 20 durch die Leitung 26 ein, und bil sind. Auch haben die Fluorkohlenwasserstoffe der Dampf tritt durch die Leitung 28 aus. Das Kühleinen sehr geringen Absorptionsquerschnitt für ther- mittel besteht aus einer Mischung aus einem Kohlenmische Neutronen. Aus diesen Gründen wären sie wasserstoff, wie Triphenyl, und einem Verdünnungsausgezeichnete organische Moderatoren an Stelle der 55 mittel für den Moderator, wie Deka-Fluordiphenyl. Kohlenwasserstoffe, aber sie haben eine so hohe Neu- Die mit einem Ventil versehene Leitung 30 führt der tronenablagerung, daß die kritische Größe des Reak- Anlage Kohlenwasserstoffe und die ebenfalls mit tors untragbar wäre. Jedoch werden die Vorteile der einem Ventil versehene Leitung 32 führt ihr das Ver-Fluorkohlenwasserstoffe vorliegend in einigem Aus- dünnungsmittel zu. Wenn der Anteil des Kohlenmaß realisiert, wenn sie als Verdünnungsmittel ver- 60 Wasserstoffes erhöht werden soll, wird ein Teil der wendet werden. Andere halogenisierte Kohlenwasser- Moderatormischung über die mit einem Ventil verstoffe wären ebenfalls geeignet, jedoch nicht so sehr sehene Leitung 34 abgeführt und über die Leitung 30 wie die Fluorkohlenwasserstoffe, da sie einen viel durch Kohlenwasserstoffe ersetzt, größeren Neutronenabsorptionsquerschnitt haben. Die graphische Darstellung der F i g. 2 zeigt, wie Ein passendes Verdünnungsmittel ist Deka-Fluor- 65 sich die kritische Masse des Reaktors mit der Menge diphenyl (vgl. das Journal of Research of the National des Verdünnungsmittels im Moderator verringert. Bureau of Standards, Bd. 36A, 167-9 [1959]; USA.- Während sich die Menge des verfügbaren Spaltmate-Patentschriften 3 000 976, 3 046 313). rials durch die Verbrennung verringert, wird deshalb

die Menge des Verdünnungsmittels gemäß der Kurve verringert, um den Reaktor in einen kritischen Zustand zu halten.

Ein organisch moderierter und gekühlter Kernreaktor hat gegenüber wassergekühlten und moderierten Reaktoren zwei deutliche Vorteile. Bei der gleichen Kühlmitteltemperatur herrscht in dem organischen System ein niedrigerer Druck, und dadurch werden die Konstruktionsprobleme vereinfacht; oder andererseits kann bei ähnlich gebauten Einheiten ein höherer Druck aufrechterhalten werden. Ein weiterer Vorteil ist, daß die organischen Substanzen nicht so korrosiv wie Wasser sind und daher billigere Baumaterialien, wie Kohlenstoffstahl an Stelle von rostfreiem Stahl, verwendet werden können. Die Fluorkohlenwasserstoffe sind chemisch äußerst stabil und daher sogar weniger korrosiv als die Kohlenwasserstoffe. Wenn die Fluorkohlenwasserstoffe als Verdünnungsmittel verwendet werden, wird zusätzlich zur Steuerung noch der Vorteil geringerer Korrosion ao erzielt.

Ein Problem, das bei organisch moderierten und gekühlten Anlagen auftritt, besteht darin, daß die organischen Substanzen unter der Einwirkung der Strahlung unstabil werden und daß unerwünschte Reaktionen stattfinden, welche die Viskosität und das Molekulargewicht des Moderators erhöhen. Deshalb ist entweder eine periodische oder ständige Auswechselung des Moderators erforderlich. Zu diesem Zweck wird reiner Kohlenwasserstoff über die Leitung 30 zugeführt, während die Mischung aus dem Kohlenwasserstoff und dem Verdünnungsmittel über die Leitung 34 zur Auffrischung abgeführt wird, so daß der verbrauchte Moderator ersetzt und gleichzeitig sein Bremsvermögen gesteigert wird.

Ein weiterer Vorteil eines organischen Systems gegenüber einem Wassersystem besteht darin, daß sich die Dichte des Moderators während des Betriebs zwischen dem kalten Anlaßzustand und dem heißen Betriebszustand weniger ändert. Bei einem Wassermoderator ändert sich die Dichte bis zum Erreichen des heißen Zustandes um ungefähr 26%>. Dies äußert sich in einem Reaktivitätsverlust von 8% A k/k am Lebensende, wenn praktisch das ganze Kühlmittel leichtes Wasser ist. Zu Betriebsbeginn, wenn ein größerer Prozentsatz von schwerem Wasser vorhanden ist, wäre die Reaktivitätsänderung sogar noch größer. Diese große Änderung der Reaktivität erfordert die Verwendung zahlreicher Regelstäbe oder eine große Giftmenge. Dagegen beträgt in dem organischen System die Dichteänderung zwischen kaltem und heißem Zustand nur ungefähr 15% und die Reaktivitätsänderung nur 3 oder 4%. Deshalb wären in einem organischen, gemäß der vorliegenden Erfindung betriebenen Kernreaktor weniger Regelstäbe notwendig als in einem mit Wasser moderierten Reaktor, der als Verdünnungsmittel schweres Wasser verwendet.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Steuerung eines mit Kohlenwasserstoffen moderierten Kernreaktors, dadurch gekennzeichnet, daß bei Beginn der Inbetriebnahme der Kohlenwasserstoffmoderator mit Fluorkohlenwasserstoffen so verdünnt wird, daß der Reaktor gerade kritisch ist, und daß dann während des Betriebes zur Steigerung des Bremsvermögens und zur Aufrechterhaltung der Kritikalität das Verhältnis des Kohlenwasserstoffes zum Verdünnungsmittel vergrößert wird.

2. Verdünnungsmittel zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es mit Fluor substituiertes Polyphenyl ist.

3. Verdünnungsmittel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es ein mit Fluor substituiertes Diphenyl ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 688 821;
USA.-Patentschrift Nr. 3 081246.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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