DE1564004C

DE1564004C - Process for feeding fuel to a nuclear reactor and a nuclear reactor for carrying out this process

Info

Publication number: DE1564004C
Authority: DE
Inventors: Seymour Lee jun Dana Hunt ley Solana Beach Triplett John Roger Rancho Santa Fe Calif Jaye (V St A)
Original assignee: Gulf Oil Corp , San Diego, Cahf (V St A )
Publication date: 1972-09-28

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Brennstoffbeschickung eines Kernreaktors, der mit einem Thorium²³²· ²³³-Uran²³³-Brutzyklus betrieben wird, wobei der Reaktorkern zur Erstbeschickung des Reaktors mit Thorium²³² und Uran²³⁵ enthaltenden Brennstoffeinheiten beschickt wird, und während des Betriebes des Reaktors in Zeitabständen jeweils ein Teil der Brennstoffeinheiten zur Entfernung der Spaltprodukte und zur Gewinnung des Uran²³³ aus dem Reaktorkern entnommen und mit Brennstoffen neu beschickt wird. Die Erfindung betrifft gleichfalls einen Leistungsbrutreaktor zur Durchführung eines solchen Brennstoffbeschickungsverfahrens.The invention relates to a method for fueling a nuclear reactor which is operated with a thorium ²³² * ²³³ ^{uranium 233} breeding cycle, the reactor core being charged with ^{fuel units containing thorium 232} and uranium ²³⁵ for the initial charging of the reactor, and during operation of the reactor in At intervals, a part of the fuel units for removing the fission products and for recovering the uranium ^{233 is} removed from the reactor core and refilled with fuel. The invention also relates to a power breeder reactor for carrying out such a fuel charging process.

Bei Leistungsreaktoren, die zur Abgabe von Nutzleistung, wie z. B. von Dampf zur Elektrizitätserzeugiing, ausgelegt sind, spielen die Kosten für den Kernbrennstoff eine wichtige Rolle bei den Wirtschaftlichkeitsberechnungen des Reaktorbetriebes. Wegen der relativ hohen Kosten der Kernbrennstoffe befaßte man sich bisher besonders mit Leistungs-Brutreaktoren. Diese erzeugen außer der Nutzleistung' gleichzeitig auch spaltbares Material aus fruchtbarem Material.In power reactors that are used to deliver useful power, such. B. from steam to electricity generation, are designed, the costs for the nuclear fuel play an important role in the profitability calculations of reactor operation. Because of the relatively high cost of nuclear fuels, particular attention has been focused on power breeder reactors. In addition to the useful output, these also generate fissile material from fertile material Material.

Das Verhältnis der neuerzeugten Spaltstoffatome, die aus dem fruchtbaren Material gebildet werden, zu den in der gleichen Zeit verbrauchten Spaltstoffatomen wird als Konversionsfaktor bezeichnet. Hat der Reaktor einen Konversionsfaktor von 1,0, so bildet er so viel neues spaltbares Material wie er verbraucht, und man bezeichnet ihn als Brutreaktor. Da das fruchtbare Material relativ billig ist, arbeitet ein solcher Reaktor, von der rein kernphysikalischen Seite her. gesehen, sehr wirtschaftlich.The ratio of the newly generated fissile material atoms that are formed from the fertile material, to the fissile material atoms consumed in the same time is called the conversion factor. Has the reactor has a conversion factor of 1.0, so it creates as much new fissile material as it consumes, and it is called a breeder reactor. Since the fertile material is relatively cheap, one works Such a reactor, from the purely nuclear physics side. seen, very economical.

Unter günstigen Bedingungen werden bei Spaltung der spaltbaren Stoffe U²*³, U²³⁵ _und Pu²³⁹ durch-.35 schnittlich pro verbrauchtes spaltbares Atom zwei oder mehr Neutronen gebildet. Da nur ein Neutron zur Ausbildung einer selbsttätig aufrechterhaltenen Kernreaktion erforderlich ist, können Leistungs-Brutreaktoren bei Verwendung dieser Kernbrennstoffe möglicherweise so viel spaltbares Material erzeugen wie sie verbrauchen.Under favorable conditions, when the fissile substances U ² * ³ , U ²³⁵ _and Pu ²³⁹ are fissioned, an average of two or more neutrons per consumed fissile atom is formed. Since only one neutron is required to develop a self-sustaining nuclear reaction, power breeder reactors using these nuclear fuels can potentially produce as much fissile material as they consume.

Der Thorium-Uran²³³-Brennstoffzyklus scheint speziell für Leistungs-Brutreaktoren geeignet zu sein. Das natürlich vorkommende Thorium ist das Isotop Th²³². Dieses Isotop ist fruchtbar und hat eine ausgeprägte Tendenz zur Bindung eines Neutrons, wodurch es zu Thorium²³³ wird. Th²³³ zerfällt durch zwei aufeinanderfolgende Beta-Teilchen-Emissionen zu U^2:J3. U²³³ ist spaltbar und ist für die Ausbildung des Leistungs-Brutzyklus vorzüglich geeignet. U²³³ hat einen sehr hohen Spaltungsquerschnitt für Neutronen im thermischen und epithermischen Bereich. Ferner werden bei Verbrauch eines Atoms U²³³ durchschnittlich 2,27 Neutronen gebildet, wodurch durchschnittlich 1,27 Neutronen pro verbrauchtes Atom gebildet werden, die möglicherweise die Umwandlung eines weiteren fruchtbaren Thoriumatoms in ein spaltbares Atom bewirken.The thorium-uranium ²³³ fuel cycle appears to be specifically suited for power breeder reactors. The naturally occurring thorium is the isotope Th ²³² . This isotope is fertile and has a strong tendency to bind a neutron, making it thorium ²³³ . Th ²³³ ^{decays to U 2: J3} through two successive beta particle emissions. U ²³³ is cleavable and is ideally suited for the development of the high-performance incubation cycle. U ²³³ has a very high fission cross-section for neutrons in the thermal and epithermal range. Furthermore, when an atom of U ^{233 is} consumed, an average of 2.27 neutrons are formed, whereby an average of 1.27 neutrons are formed per atom used, which may cause the conversion of another fertile thorium atom into a fissile atom.

Bei den modernen Reaktoren, die mit einem Thorium-Uran-Brutzyklus arbeiten, stammt die gebildete Energie hauptsächlich aus der Spaltung von U^23:i-Atomen. Ein Reaktor, der durch seinen Aufbau auch für einen durch die Erfindung beschriebenen Betrieb geeignet ist, arbeitet bei hoher Temperatur, mit Graphit als Bremsstoff und ist gasgekühlt. Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Reaktors ist in Bei einem derartigen Reaktor ist die Verwendung möglichst vieler überschüssiger Neutronen zur Bildung zusätzlichen Urans²³³ aus dem Thorium wünschenswert. In modern reactors, which work with a thorium-uranium breeding cycle, the energy generated mainly comes from the fission of U ^{23: i} atoms. A reactor, which due to its construction is also suitable for an operation described by the invention, works at high temperature, with graphite as braking material and is gas-cooled. An embodiment of such a reactor is shown in FIG. In such a reactor, it is ^{desirable to use as many excess neutrons as possible to form additional uranium 233} from the thorium.

Bei einem im thermischen und im epithermischen Bereich arbeitenden Reaktor wird U²³³ dem U²³⁵ als Brennstoff vorgezogen, da bei U²³³ die Zahl der freiwerdenden Neutronen pro gespaltenem Kern (η) wesentlich größer ist. Da jedoch U²³³ nicht natürlich vorkommt, ist in dem anfangs eingegebenen Brennstoff normalerweise ein natürlich vorkommendes Element, z. B. -U²·³⁵, enthalten. Außerdem muß, da Konversionsfaktoren'von 1,0 bisher auf wirtschaftliche Weise in Leistungs-Brutreaktoren noch nicht erreicht wurden, eine bestimmte Menge zusätzlichen Brennstoffes in regelmäßigen Zeitabständen während der Betriebszeit des Reaktors eingegeben werden.In the case of a reactor operating in the thermal and epithermal areas, U ^{233 is} preferred to U ²³⁵ as a fuel, since with U ²³³ the number of neutrons released per split core (η) is much greater. However, since U ²³³ does not occur naturally, a naturally occurring element, e.g. B. -U ² x ³⁵ . In addition, since conversion factors of 1.0 have not yet been achieved in an economical manner in power breeder reactors, a certain amount of additional fuel must be entered at regular time intervals during the operating time of the reactor.

Ein Leistungsreaktor wird im allgemeinen nicht länger in Betrieb gehalten, als die wirksame Lebensdauer des Brennstoffes ist, d. h., bis die Reaktivität des Reaktorkernes auf einen unerwünscht geringen Wert abfällt. In diesem Zeitpunkt werden die Brennstoffelemente aus dem Reaktorkern entfernt und durch neue ersetzt. Andererseits kann ein bestimmter Teil oder Prozentsatz der gesamten Brennstoffelemente im Kern jedes Jahr oder innerhalb eines anderen günstigen Zeitraumes ersetzt werden, so daß der Reaktor regelmäßig neuen Brennstoff erhält, ohne daß eine größere Betriebspause zum Ersetzen des gesamten Kernes erforderlich ist.A power reactor is generally not kept in operation longer than the effective life of the fuel, d. That is, until the reactivity of the reactor core drops to an undesirably low level Value drops. At this point the fuel elements are removed from the reactor core and replaced by new ones. On the other hand, a certain part or percentage of the total fuel elements be replaced in essence every year or within another favorable period, so that the reactor regularly receives new fuel without a major break in operation for replacement of the entire core is required.

Werden aus dem Reaktor Brennstoffelemente entnommen, so werden sie im allgemeinen aufgefrischt, indem das Uran vom Thorium, den Spaltungsprodukten, dem Verdünnungsmittel und dem Auflagemetall (falls vorhanden) chemisch getrennt wird. Das getrennte Uran steht dann zur Herstellung neuer Brennstoffelemente und danach zum Einsatz in denselben oder einen anderen Reaktorkern zur Verfügung. Wird beispielsweise die maximale wirksame Lebensdauer bestimmter Brennstoffelemente eines Reaktors bei einem Thorium-Uran-Brennstoffzyklus mit ungefähr 6 Jahren angegeben, dann kann jedes Jahr ein Sechstel der Elemente ersetzt werden. Das nicht gespaltene Uran und das im Thorium gebildete Uran, die durch das Auffrischen zurückgewonnen werden, können zu neuen Brennstoffelementen verarbeitet werden und dienen dann zum Ersatz derjenigen Elemente, die im folgenden Jahr aus dem Reaktor entnommen werden. ^: When fuel elements are removed from the reactor, they are generally replenished by chemically separating the uranium from the thorium, the fission products, the diluent and the clad metal (if any). The separated uranium is then available for the production of new fuel elements and then for use in the same or a different reactor core. For example, if the maximum effective life of certain fuel elements in a reactor for a thorium-uranium fuel cycle is given as approximately 6 years, then one sixth of the elements can be replaced every year. The non-split uranium and the uranium formed in the thorium, which are recovered through the replenishment, can be processed into new fuel elements and then serve to replace those elements that are removed from the reactor in the following year. ^:

Um die Herstellungskosten auf einem vertretbar geringen Wert zu halten, wird oft eine Lebensdauer für das Brennstoffelement eingeplant, die gleich dem Zeitraum der Leistungserzeugung ist, in dem zumindest 90% der spaltbaren Kerne, die in den Brennstoffelementen vorhanden sind, Kernreaktionen eingehen. Daher bleiben am Ende der geplanten Lebensdauer eines Brennstoffelementes, das in einem Thorium-Uran-Brennstoffzyklus verwendet wird, weniger als 10⁰/o des ursprünglichen Isotops U²³⁵ übrig. Auf diese Weise besteht der größere Anteil des spaltbaren Urans, das bei der Auffrischung zurückgewonnen wird, aus U^2:!:), das im Reaktorkern aus dem fruchtbaren Material Thorium entstanden war. Da man in Leistungs-Brutreaktoren bisher einen Umsetzungsfaktor von 1,0 noch nicht erreicht hat, wird etwas angereichertes Uran zusätzlich zu dem zurückgewonnenen Uran hinzugefügt, so daß die daraus i Brennstoffelemente jeweils den ge-In order to keep the production costs at an acceptable low value, a service life for the fuel element is often planned that is equal to the period of power generation in which at least 90% of the fissile cores present in the fuel elements enter into nuclear reactions. Therefore, at the end of the planned life, less than 10 ⁰ / o of the original isotope U ²³⁵ remain a fuel element which is used in a thorium-uranium fuel cycle desired. In this way, the greater part of the fissile uranium that is recovered during the rejuvenation consists of U ^{2 :! :)} , which was formed in the reactor core from the fertile material thorium. Since a conversion factor of 1.0 has not yet been achieved in power breeder reactors, some enriched uranium is added to the recovered uranium, so that the i fuel elements from it each use the

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wünschten Anteil an spaltbarem Material er- Hierdurch erhält man den Vorteil, daß für denDesired proportion of fissile material. This has the advantage that for the

halten. ■ weiteren Betrieb des Kernreaktors nach einer an-keep. ■ continued operation of the nuclear reactor after another

Wird der Reaktor dauernd und mit wiederholten fänglichen Anlaufzeit an Stelle des bisher verwand-Brennstoffzyklen betrieben und wird frisches U²³⁵ ten teuren, angereicherten Urans Plutonium verwandt hinzugegeben, um den gewünschten Grad an Reak- 5 werden kann, wodurch die durch den Leistungstivität im Reaktorkern beizubehalten, so nimmt die reaktor erzeugte Energie wirtschaftlich konkurrenz-Konzentration schwererer Kerne, d.h. von·U²³⁶ und fähig wird mit den durch Kohle, Öl oder Naturgas Np²³⁷, im Reaktorkern zu, da das U²³⁽ⁱ chemisch von erzeugten Energien. .·■■:-. dem erwünschten U²³³ nicht getrennt werden kann. Im folgenden soll die Erfindung näher an Hand Daher wird durch die mit diesen schweren Kernen io von vorzugsweisen Ausführungsbeispielen im Zuverbundenen parasitären Neutronenabsorptionen der sammenhangmit der Zeichnung erläutert werden. Konversionsfaktor des Reaktors mehr und mehr ver- F i g. 1 zeigt die schematische Darstellung eines schlechtere Aus diesem Grunde ist eine Begrenzung Verfahrensablaufes, bei dem ein Kernreaktor verin der Ausbildung dieser schweren Kerne bzw. dieser wendet wird, der gemäß der Erfindung arbeitet; Giftstoffe zu wünschen. 15 F i g. 2 zeigt die schematische Darstellung einesIf the reactor is operated continuously and with repeated initial start-up times in place of the previously used fuel cycles and fresh U ²³⁵ th, expensive, enriched uranium plutonium is added in order to achieve the desired degree of reactivity, thereby maintaining the power level in the reactor core , the reactor power generated increases economically competitive concentration of heavier nuclei, ie · U ²³⁶ and is capable with the by coal, oil or natural gas Np ^237, in the reactor core to as the U ^{23 (i} chemically generated energies.. · ■■: -. The desired U ^233. In the following, the invention will be explained more closely by hand Fig. 1 shows the schematic representation of a poorer For this reason, ei ne limitation of the process sequence in which a nuclear reactor verin the formation of these heavy cores or this is turned, which works according to the invention; Desire toxins. 15 F i g. 2 shows the schematic representation of a

In der USA.-Patentschrift 3 208 912 wird ein Ver- anders ausgebildeten Verfahrensablaufes; fahren zur Brennstoffbeschickung eines Leistungs- F i g. 3 zeigt den Querschnitt eines Brennstoff-Brutreaktors mit Uran-Thorium-Brennstoffzyklus be- elementes, das in dem erfindungsgemäßen Verfahren schrieben. An Hand dieses Verfahrens ist gezeigt, verwendet wird.In the US Pat. No. 3,208,912, a differently designed process sequence is used; drive to the fuel supply of a power F i g. 3 shows the cross section of a fuel breeder reactor element with uranium-thorium fuel cycle that is used in the method according to the invention wrote. On hand this procedure is shown is used.

daß durch Ausscheiden des fruchtbaren Materials 20 Es hat sich gezeigt, daß in einem Leistungs-Brut-Thorium aus zumindest einem Teil des angereicher-" reaktor, der mit stark angereichertem Uran und ten Uranbrennstoffes in einem Kernreaktor mit Thorium beschickt ist, bei Erreichen des Gleich-Thorium-Uran-Brennstoffzyklus, schwerkernige Gift- gewichtszustandes, d. h. dem Zustand, in dem die stoffe leicht in regelmäßigen Zeitabständen entfernt Menge des neugebildeten Uran²³³ gleich der Menge werden können und der Aufbau schwerkerniger '25 an Uran²³³ ist, die durch Spaltung, Einfang oder Zerparasitärer Neutronenabsorptionsstoffe ausreichend fall verbraucht wird, Plutonium zur Bildung des für gering gehalten wird. Das fruchtbare Material Tho- die nachfolgenden Beschickungen des Reaktorkernes rium wird vorzugsweise bei der Beschickung des erforderlichen spaltbaren Kernbrennstoffes verwendet Reaktors von dem spaltbaren angereicherten Uran werden kann. Plutonium ist in zunehmendem Maße getrennt gehalten, wobei der Betrieb so durchgeführt 30 erhältlich und bietet, sich für einen Reaktor dieser wird, daß am Ende der geplanten Betriebsdauer eines Art als günstiger Ausweichstoff an Stelle des ange-Brennstoffelementes durch die Trennung des Brenn- reicherten Urans an. Ferner ist der Einsatz von PIustoffes die Abtrennung des U²³³ erleichtert wird, das tonium an Stelle des angereicherten Urans eine Maßwährend des Reaktorzyklus aus dem nicht gespalte- nähme, die die Erhaltung des Weltvorrats an angenen U^23:> und U²³⁵ ausgebrütet worden ist, die zu 35 reichertem Uran begünstigt. Dies ist im Hinblick auf Beginn des Zyklus in dem Brennstoff enthalten wa- den voraussichtlich mit zunehmender Anwendung ren. Verschiedene Möglichkeiten zur getrennten An- der Kernenergie anwachsenden Bedarf von großer Ordnung des Brennstoffes wurden durch die USA.- Bedeutung. Plutonium, speziell wenn es aus verschie-Patentschrift 3 208 912 vorgeschlagen, z. B. die An- denen Konverter-Reaktoren entnommen ist, weist Ordnung verschiedener Brennstoffeinheiten aus Uran 40 kein besonders hohes Eta (Neutronenbildungsverhält- und Thorium in getrennten Brennstoffelementen, die nis) im Neutronen-Energiespektrum eines Uran-Anordnung verschiedener Brennstoffeinheiten in ge- Thorium-Leistungs-Brutreaktors auf. Es beträgt nortrennten Abteilungen desselben Brennstoffelementes, malerweise ungefähr 1,9. Ein Grund dafür ist, daß die Verwendung von Brennstoffteilchen verschiede- derartiges Plutonium außer dem sehr erwünschten ner Größe oder die Verwendung verschiedener Um- 45 Isotop P-239 oft auch andere Isotope enthält. Beihüllungen für die verschiedenen Brennstoffeinheiten. spielsweise ist es aus 78% Pu-239, 17% Pu-240 undthat by excretion of the fertile material 20 it has been shown that in a power brood thorium from at least a part of the enriched "reactor, which is charged with highly enriched uranium and th uranium fuel in a nuclear reactor with thorium, when the same is reached -Thorium uranium fuel cycle, heavy polynuclear toxic equilibrium state, ie the state in which the fabrics easily removed at regular intervals quantity of the newly formed uranium ²³³ can be equal to the amount and the structure of heavy polynuclear '25 in uranium ²³³ is that, by cleavage Capture or parasitic neutron absorbents if sufficient is consumed, plutonium is considered to be low to form the. The fertile material Tho- subsequent charges to the reactor core is preferably used in charging the required fissile nuclear fuel from which fissile enriched uranium can be used in the reactor. Plutonium is increasingly separated held, whereby the operation carried out 30 available and offers itself for a reactor of this, that at the end of the planned operating time one kind as a favorable alternative material instead of the an-fuel element by the separation of the fuel-enriched uranium. Furthermore, the use of fuel, the separation of the U ^{233 is} facilitated, the tonium in place of the enriched uranium would take a measure during the reactor cycle from which the preservation of the world supply of U ^23:> and U ^{235 has been} hatched, which favors to 35 enriched uranium. With a view to the beginning of the cycle, this is contained in the fuel, presumably with increasing use. Various possibilities for separate nuclear energy increasing demand of a large order of fuel have become important through the USA. Plutonium, especially when suggested in various patent 3,208,912, e.g. B. the other from which converter reactors are taken, the order of different fuel units from uranium 40 does not have a particularly high Eta (neutron formation ratio and thorium in separate fuel elements, the nis) in the neutron energy spectrum of a uranium arrangement of different fuel units in thorium Power breeder reactor. It amounts to separate compartments of the same fuel element, sometimes about 1.9. One reason for this is that the use of fuel particles of various such plutonium contains other isotopes in addition to the very desirable small size, or the use of various um- 45 Isotope P-239 isotopes. Enclosures for the various fuel units. for example it is made up of 78% Pu-239, 17% Pu-240 and

Obwohl ein solches Verfahren zur Brennstoff- 5 % Pu-241 zusammengesetzt. Ferner hat das Eta die beschickung, wie es in der USA.-Patentschrift Tendenz, schnell abzufallen, wenn die mittlere Ener-3 208 912 beschrieben ist,, sehr wirkungsvoll ist, gie der Neutronen mit zunehmender Plutoniumarbeitet es unter fortgesetzter Verwendung von sehr 50 konzentration auf Grund der höheren Energie, die hoch angereichertem zusätzlichem Uran bei aufein- bei der Spaltung eines Plutoniumatoms frei wird, im anderfolgenden Brennstoffbeschickungen des Reak- Reaktorkern zunimmt. Es hat sich jedoch herausgetors. Es ist daher nach anderen Möglichkeiten der stellt, daß auch sorgfältige Einstellung des Verhält-Brennstoffbeschickung zu suchen, bei denen ein nisses von Brennstoff zu fruchtbarem Material Thori-Kernbrennstoff ausgenutzt wird, der nicht aus hoch 55 um Plutonium als zusätzliches spaltbares Material in angereichertem Uran besteht. einem Kernreaktor verwendet werden kann, der mitAlthough such a process is composed of fuel 5% Pu-241. The Eta also has the charge, as in the United States patent, tendency to drop off rapidly when the mean ener-3 208 912, it is very effective as the neutrons work with increasing plutonium it with continued use of very 50 concentration due to the higher energy that highly enriched additional uranium is released when a plutonium atom splits, im subsequent fuel loads to the reactor core increases. However, it has turned out to be. It is, therefore, after other possibilities that also careful adjustment of the fuel loading ratio is required to look for in which a nits of fuel to fertile material thori nuclear fuel is exploited, which is not made up of 55 µm plutonium as an additional fissile material in enriched uranium. a nuclear reactor that can be used with

Demgemäß liegt der vorliegenden Erfindung die einem Uran-Thorium-Brennstoffzyklus arbeitet. Durch Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Brennstoff- Anwendung einer nicht gleichmäßigen Reaktorkernbeschickung eines mit hohem Wirkungsgrad arbei- anreicherung, z. B. einer zonenweisen Anreicherung tenden Leistungsreaktors mit Thorium-Uran-Brenn- 60 unter Verwendung von Plutonium als Zusatzstoff Stoffzyklus anzugeben, bei dem für den Leistungs- zur notwendigen Brennstoffanreicherung, ist die Ausdauerbetrieb kein teures, besonders angereichertes nutzung von Plutonium an Stelle von hoch ange-Uran benötigt wird. reichertem Uran durchführbar.Accordingly, the present invention operates on a uranium-thorium fuel cycle. Through Object is based on a method for fuel application of a non-uniform reactor core charge one with high efficiency enrichment, z. B. a zonal enrichment tend power reactor with thorium uranium fuel 60 using plutonium as an additive Specify the material cycle, in which for the power to the necessary fuel enrichment, is the endurance operation no expensive, particularly enriched use of plutonium instead of high-grade uranium is needed. enriched uranium is feasible.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der oben- In einem Leistungs-Brutreaktor dieser Art ist der genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß 65 Konversionsfaktor von fruchtbarem Thorium inThis task is accomplished in a method of the above- In a power breeder reactor of this type is the mentioned type solved according to the invention in that 65 conversion factor of fertile thorium in

der jeweils neu zu beschickende Teil der Brennstoff- spaltbares U-233 von besonderer Bedeutung. Diethe part of the fuel fissile U-233 to be charged is of particular importance. the

einheiten mit Thorium²³², erbrütetem Uran²³³ und Nachbeschickung eines solchen Leistungs-Brutreak-units with thorium ²³² , ^{breeding uranium 233} and subsequent charging of such a performance breeding reaction

Plutonium²³⁹ beschickt wird. tors wird jeweils für einen Teil des Kernes derar!Plutonium ^{239 is} charged. tors is derar for a part of the kernel!

vorgenommen, daß jeweils ein Teil der gesamten Brennstoffelemente ersetzt wird. Hat der Reaktorkern den Gleichgewichtszustand erreicht und ist er mit Brennstoffelementen nachbeschickt, die als Zusatzbrennstoff Plutonium enthalten, so wird der größere Anteil der Leistung durch das U-233 gebildet. Demgemäß sollte der Konversionsfaktor auf mindestens 0,75, vorzugsweise auf mindestens 0,8 gehalten werden. Durch sorgfältige Einstellung des Verhältnisses von Bremsstoff zu Thorium wurde gefunden, daß es praktisch möglich ist, diese Konversionsfaktoren und sogar solche von über 0,9 zu erreichen. made that each part of the total fuel elements is replaced. Has the reactor core reaches the state of equilibrium and is replenished with fuel elements, which are used as additional fuel Contain plutonium, the greater part of the power is generated by the U-233. Accordingly, the conversion factor should be at least 0.75, preferably at least 0.8 being held. By carefully adjusting the ratio of brake fluid to thorium, it was found that it is practically possible to achieve these conversion factors and even those above 0.9.

Obwohl der Konversionsfaktor vom Verhältnis Bremsstoff zu Thorium abhängt, gibt es verschiedene wirtschaftliche Überlegungen, die für die Auswahl des jeweiligen Bremsstoff-Thorium-Verhältnisses für einen Reaktor maßgebend sind. Eine Überlegung betrifft die Menge an Plutonium, die für eine Beschickung zur notwendigen Brennstoffanreicherung notwendig ist, und davon abhängig betrifft eine weitere Überlegung die Dauer des Vorhandenseins von spaltbarem Brennstoff.Although the conversion factor depends on the ratio of fuel to thorium, there are different ones economic considerations for the selection of the respective brake fuel to thorium ratio for a reactor are decisive. One consideration concerns the amount of plutonium that is needed for a charge is necessary for the necessary fuel enrichment, and depending on it concerns another Consider the duration of the presence of fissile fuel.

Selbstverständlich kommen auch technische Überlegungen bei der Verwendung von Plutonium als Zusatzbrennstoff im oben beschriebenen Reaktor in Betracht. Viele sind dem Fachmann geläufig und beziehen sich nach Festlegung der gewünschten Kriterien auf die Wahl der Brennstoff teilchen und deren Zusammensetzung, die Konstruktion der Brennstoffelemente, die Anordnung des Thoriums, Plutoniums, Urans und des Bremsstoffes im jeweiligen Brennstoffelement usw. Weiterhin muß der Alterungsfaktor mit in Betracht gezogen werden. Dieser stellt das Verhältnis der Zahl der Spaltungen pro Zeiteinheit in frisch zugeführtem Brennstoff, bezogen auf die Zahl der Spaltungen pro Zeiteinheit im Brennstoff dar, wenn dieser für eine mittlere Dauer der durchschnittlichen Strahlung im Reaktorkern ausgesetzt gewesen ist. Die Verwendung einer zu leichten Reaktorbeschickung, d. h. eines zu hohen Verhältnisses von Bremsstoff zu Thorium zur Ermöglichung einer geringeren Menge Plutonium als Zusatzstoff verbietet sich durch einen dann zu großen Alterungsfaktor. Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß Alterungsfaktoren von 1,3 bis 1,4 vorhanden sein können, ohne daß unerwünschte Probleme beim Betrieb des Reaktorkernes auftreten. Ferner ist der Konversionsfaktor auch durch das Zurückbleiben von. Giftstoffen der Spaltungsprodukte in den Brennstoffelementen beeinflußt, das der Entfernung der Spaltprodukte durch Ablösung in die Kühlmittelströmung und Entfernen aus dem Kühlmittel in ein äußeres Auffangssystem entgegenwirkend auftritt. Mit beiden Verfahren der Behandlung von Spaltprodukten kann jedoch ein günstiger Konversionsfaktor erreicht werden.Of course, there are also technical considerations when using plutonium as an additional fuel in the reactor described above into consideration. Many are known to those skilled in the art and can be obtained from them After establishing the desired criteria on the choice of fuel particles and their Composition, the construction of the fuel elements, the arrangement of the thorium, plutonium, Uranium and the brake material in the respective fuel element, etc. Furthermore, the aging factor must also be included be considered. This represents the ratio of the number of divisions per unit of time in freshly supplied fuel, based on the number of splits per unit of time in the fuel, if this has been exposed to the average radiation in the reactor core for an average period of time is. The use of too light a reactor charge, i. H. too high a ratio of Braking substance to thorium to allow a smaller amount of plutonium as an additive forbids by an aging factor that is then too great. However, it must be taken into account that aging factors from 1.3 to 1.4 can be present without undesirable problems in the operation of the reactor core appear. Furthermore, the conversion factor is also due to the lagging behind. Toxins of the Fission products in the fuel elements is influenced by the removal of the fission products Detachment into the coolant flow and removal from the coolant into an external containment system counteracting occurs. With both methods of treatment of fission products, however, one favorable conversion factor can be achieved.

Die Erfindung wird im folgenden für den bereits genannten, mit hoher Temperatur arbeitenden, gasgekühlten Reaktor (HTGR) beschrieben. Bei diesem Reaktor ist der gesamte Bremsstoff in den Brennstoffelementen selbst enthalten, obwohl auch andere gleichwertige Anordnungen verwendet werden können. Verschiedene Ausbildungen für die Brennstoffelemente sind möglich, zu denen die Ganzkeramikelemente und die Keramikmoderatoren gehören. Zum Zweck der Beschreibung wird jedoch auf die USA.-Patentanmeldung 384 564 vom 22. 7. 64 von Stanley L. K out ζ und Richard F.Turner mit dem Titel »Fuel Element« hingewiesen, die auf denselben Anmelder zurückgeht wie die vorliegende Erfindung. Die konstruktive Ausführung dieses speziellen Brennstoffelementes ist in der vorliegenden Erfindung eingehend beschrieben. Einen Querschnitt durch die wirksamen Teile dieses Brennstoffelementes zeigt Fig. 3.The invention will be used in the following for the gas-cooled, operating at high temperature already mentioned Reactor (HTGR). In this reactor, all of the braking material is in the fuel elements themselves, although other equivalent arrangements may be used. Various designs for the fuel elements are possible, including the all-ceramic elements and include the ceramic moderators. For the purpose of description, however, reference is made to U.S. patent application Titled 384 564 of 7/22/64 by Stanley L. K out ζ and Richard F. Turner "Fuel Element", which goes back to the same applicant as the present invention. The structural design of this particular fuel element is detailed in the present invention described. A cross-section through the active parts of this fuel element shows Fig. 3.

Dieses Brennstoffelement besteht aus einem Zylinder 11 aus Graphit mit einer Dichte von ungefährThis fuel element consists of a cylinder 11 made of graphite with a density of approximately

ίο 1,8 g/cm³ und einem Durchmesser von 11,8 cm. Der Kernbrennstoff 13 ist in vierzehn Brennstoffbohrungen 15.angeordnet, die voneinander gleichen Abstand haben, auf einem Kreis angeordnet sind und jeweils einen Durchmesser von 1,3 cm aufweisen. Wird ein Bremsstoff verwendet, der nur aus Graphit besteht, so ist der Zylinder 11 ein durchgehender Körper, bis auf die Bohrungen 15. Wird ein keramischer Bremsstoff aus einer Zusammensetzung von Beryllium und Graphit verwendet, so wird eine zentrale Bohrung 17 durch den Graphitzylinder 11 geführt, die einen Rundstab aus einem Beryllium enthaltenden Stoff aufnimmt. In dem gezeigten Brennstoffelement hat die zentrale Bohrung 17 einen Durchmesser von 6,8 cm. Das Beryllium ist vorzugsweise in Form gesinterter Verbundstoffe von Berylliumoxyd vorhanden. Es können aber auch andere keramische Berylliumverbindungen, wie Berylliumkarbid, oder andere physikalische Formen des Berylliums, wie Pulver, verwendet werden. Durch die Einstellung der Dichte des zentralen Beryllium-Moderators ist eine Möglichkeit zur Änderung des Verhältnisses von Bremsstoff zu Thorium im Kernbrennstoff 13 innerhalb der Bohrungen 15 gegeben.ίο 1.8 g / cm ³ and a diameter of 11.8 cm. The nuclear fuel 13 is arranged in fourteen fuel bores 15. which are equidistant from one another, are arranged on a circle and each have a diameter of 1.3 cm. If a braking material is used which consists only of graphite, the cylinder 11 is a continuous body, except for the bores 15 that receives a round rod made of a material containing beryllium. In the fuel element shown, the central bore 17 has a diameter of 6.8 cm. The beryllium is preferably in the form of sintered composites of beryllium oxide. However, other ceramic beryllium compounds, such as beryllium carbide, or other physical forms of beryllium, such as powder, can also be used. By setting the density of the central beryllium moderator, it is possible to change the ratio of brake material to thorium in the nuclear fuel 13 within the bores 15.

Obwohl der Brennstoff 13 vorzugsweise Teilchenform hat, können auch andere Brennstoffarten, wie Brennstoffe in pulverisierter oder fester Form verwendet werden. Der Brennstoff kann Uran-, Thorium- und Plutoniumkarbid, -oxyd oder eine andere geeignete keramische Verbindung sein. Es können beschichtete oder unbeschichtete Brennstoffteilchen verwendet werden, was in erster Linie davon abhängt, ob die Spaltungsprodukte in den Brennstoffteilchen festgehalten werden sollen.Although the fuel 13 is preferably in particulate form, other types of fuel such as Fuels can be used in powdered or solid form. The fuel can be uranium, thorium and plutonium carbide, oxide or other suitable ceramic compound. It can coated or uncoated fuel particles are used, depending primarily on whether the fission products should be retained in the fuel particles.

Im folgenden wird ein 1000 Mw (e) HTGR-Reaktor betrachtet, der ungefähr 5500 Brennstoffelemente der zuvor beschriebenen Ausbildung enthält, die jeweils eine gesamte Länge von 6,1 m und eine wirksame Brennstofflänge von 4,7 m haben. Diese Brennstoffelemente sind in einem Sechseck mit Abstand von 11,9 cm angeordnet. Durch die Zwischenräume der aneinanderliegenden Brennstoffelemente wird Helium mit einem Druck von 32 at geführt, und dieses führt die in den Elementen erzeugte Wärme von den Außenflächen der zylindrischen Graphitkörper ab.Consider a 1000 Mw (e) HTGR reactor containing approximately 5500 fuel elements of the contains the training described above, each with a total length of 6.1 m and an effective Have a fuel length of 4.7 m. These fuel elements are spaced in a hexagon by 11.9 cm arranged. Helium is created through the spaces between the fuel elements that are in contact with one another with a pressure of 32 at, and this carries the heat generated in the elements from the Outer surfaces of the cylindrical graphite body.

Es ist dabei mit einer Kühlmittelaustrittstemperatur von etwa 815° C zu rechnen.It is thereby with a coolant outlet temperature of about 815 ° C to be expected.

Für die Anfangsbeschickung des Reaktorkernes werden 2300 kg Uran mit einer Anreicherung von etwa 93 °/o verwendet. Ferner wird fruchtbares Thorium in einer Menge von 38 500 kg verwendet. Vorzugsweise sind Uran- und Thoriumkarbide in Teilchenform vorhanden. Dazu können zusammengesetzte Teilchen aus Uran und Thorium gebildet werden, wie schematisch in F i g. 1 gezeigt, oder es können getrennte Teilchen von Urankarbid und Thoriumkarbid verwendet werden, wie in F i g. 2 gezeigt. Die letztere Anordnung getrennter Brennstoffeinheiten erlaubt nach dem anfänglichen Zyklus einesFor the initial loading of the reactor core, 2300 kg uranium with an enrichment of about 93% used. Further, fertile thorium is used in an amount of 38,500 kg. Preferably uranium and thorium carbides are present in particulate form. This can be done with compound Particles from uranium and thorium are formed as shown schematically in F i g. 1 shown, or it For example, separate particles of uranium carbide and thorium carbide can be used as shown in FIG. 2 shown. The latter arrangement of separate fuel units allows one after the initial cycle

Brennstoffelementes im Reaktor die Entfernung des restlichen angereicherten Urans und vermeidet damit die Ausbildung schwerkerniger Giftstoffe, wie bereits im Zusammenhang mit der USA.-Patentschrift 3 208 912 beschrieben.The fuel element in the reactor avoids the removal of the remaining enriched uranium the formation of serious toxins, as already in connection with the USA patent 3 208 912.

Wie bereits bemerkt, stellt es sich heraus, daß nach Erreichen des Gleichgewichtszustandes im Reaktorkern und bei Erreichen des Zeitpunktes zur Nachbeschickung eines Teiles des Reaktorkernes, durch eine enge Regelung des Verhältnisses von Bremsmittel zu Thorium, wobei z. B. das Verhältnis bei Verwendung von Graphit als Bremsstoff zwischen 150 und 250 liegen soll, Plutonium in den einzugebenden Brennstoffelementen zur benötigten zusätzlichen Anreicherung verwendet werden kann. Um diese Regelung zu vereinfachen, ist die Einstellung des gewünschten Bremsmittel-Thorium-Verhältnisses bei der Anfangsbeschickung günstig. Es können jedoch leichte Abweichungen dabei auftreten, wenn die nachträglich einzugehenden Brennstoffelemente die geeigneten Mengen an Bremsmittel und Thorium enthalten, so daß der gesamte Reaktorkern nach der Nachbeschickung das gewünschte Verhältnis von Bremsmittel zu Thorium aufweist.As already noted, it turns out that after reaching the equilibrium state in the reactor core and when the point in time for replenishing part of the reactor core is reached a tight regulation of the ratio of braking agent to thorium, with z. B. the ratio at Use of graphite as a braking material should be between 150 and 250, plutonium in the entered Fuel elements can be used for the required additional enrichment. Around To simplify this regulation, it is necessary to set the desired brake fluid / thorium ratio favorable for the initial loading. However, there may be slight deviations when the fuel elements to be added subsequently, the appropriate amounts of braking agent and thorium included, so that the entire reactor core after refilling the desired ratio of Has braking agent to thorium.

In einem Leistungs-Brutreaktor der vorstehend beschriebenen Art, der mit keramischem Brennstoff und keramischem Bremsstoff arbeitet und der mit den beschriebenen ganz aus Graphit bestehenden Brennstoffelementkörpern ausgerüstet ist, soll das Verhältnis von Kohlenstoff zu Thorium zwischen 125 und 250 Atomen Kohlenstoff pro Atom Thorium liegen, um die Verwendung des zusätzlichen Plutoniums zu erleichtern. Innerhalb dieser Grenzen hängt der genaue, in einem Reaktor zu verwendende Wert dieses Verhältnisses von in Wechselwirkung zueinander stehenden Veränderlichen ab, wie der Verweilzeit und dem Grad der Anreicherung pro Nachbeschikkung, der oben bereits genannt wurde. Wird das Verhältnis von Brennstoff zu Thorium innerhalb dieser Grenzen gehalten, so stellt sich heraus, daß Plutonium und sogar auch anderweitig entnommenes Plutonium, das außer Pu-239 noch andere Isotope enthält, als zusätzliches Anreicherungsmittel zur Fortsetzung des Reaktorbetriebes mit einem Konversionsfaktor von mindestens 0,75 verwendet werden kann. Bei diesen Berechnungen des Verhältnisses von Bremsstoff zu Thorium ist außer dem Graphitkörper der Brennstoffelemente auch der sonstige in den Elementen enthaltene Kohlenstoff berücksichtigt, was z. B, der Fall ist, wenn Karbid-Brennstoff verwendet wird oder wenn die Brennstoffteilchen mit pyrolytischen Kohlenstoffüberzügen versehen sind. Man stellt jedoch fest, daß diese sehr viel geringeren Mengen Kohlenstoff einen nur schwachen Einfluß auf das Verhältnis innefhalb der oben angegebenen Grenzen haben.In a power breeder reactor of the type described above, the ceramic fuel and ceramic brake fluid works and the fuel element bodies described entirely made of graphite is equipped, the ratio of carbon to thorium should be between 125 and 250 atoms of carbon per atom of thorium lie in order to use the additional plutonium facilitate. Within these limits, the exact value to be used in a reactor depends on it Ratio of mutually interacting variables, such as the dwell time and the degree of enrichment per reloading, which has already been mentioned above. Will the relationship from fuel to thorium kept within these limits, it turns out that plutonium and even plutonium extracted elsewhere, which contains other isotopes besides Pu-239, can be used as an additional enrichment agent to continue the reactor operation with a conversion factor of at least 0.75. In these calculations of the ratio of brake fluid to thorium, apart from the graphite body The fuel elements also take into account the other carbon contained in the elements z. B, the case when carbide fuel is used or when the fuel particles are pyrolytic Carbon coatings are provided. It is found, however, that these amounts are much smaller Carbon has only a weak influence on the ratio within the limits given above to have.

An Stelle des beschriebenen Brennstoffelementkörpers kann auch ein Brennstoffelement mit einem Rundstab aus Beryllium verwendet werden, wie in F i g. 3 gezeigt ist. Dadurch werden die günstigen Bremseigenschaften von Beryllium bei einem keramischen Brennstoff-Moderator-Verfahren ausgenutzt. Zur weiteren Erläuterung des möglichen Bereiches für das Verhältnis von Bremsstoff zu Thorium, das einen derartigen aus Beryllium und Kohlenstoff zusammengesetzten keramischen Moderator ermöglicht, dient das in Fig. 3 dargestellte Brennstoffelement, dessen Abmessungen bereits beschrieben wurden.Instead of the fuel element body described a fuel element with a round beryllium rod can also be used, as in F i g. 3 is shown. Thereby the favorable braking properties of beryllium with a ceramic Fuel moderator method exploited. For further explanation of the possible range for the ratio of brake fuel to thorium, that of a compound composed of beryllium and carbon ceramic moderator allows, the fuel element shown in Fig. 3 is used, the dimensions of which have already been described.

Werden andere Größenverhältnisse für das Beryllium gegenüber dem Kohlenstoff im Brennstoffelementkörper gewählt, z. B. durch Veränderung der Größe des Brennstoffelementkörpers, des Durchmessers des Rundstabes oder anderer Abmessungen, so ändert sich damit auch das Verhältnis von Beryllium zu Thorium und weicht von dem im folgenden vorausgesetzten Wert ab. Für den Fachmann ist jedoch auf Grund der nachstehend genannten Werte eine eventuell erforderliche Abänderung leicht durchzuführen.There will be other proportions for the beryllium versus the carbon in the fuel element body chosen, e.g. B. by changing the size of the fuel element body, the diameter of the Round rod or other dimensions, the ratio of beryllium to also changes Thorium and deviates from the value assumed below. For the skilled person, however, is on Due to the values listed below, any necessary changes can easily be made.

Bei der Verwendung zusammengesetzter keramischer Brennstoffelemente mit keramischem Beryllium und Graphit mit den oben angegebenen Abmessungen stellt sich heraus, daß Plutonium mit Erfolg bei der Nachbeschickung als zusätzliches Anreicherungsmittel verwendet werden kann, wenn das Verhältnis von Beryllium zu Thorium zwischen 25 und 55 Atomen Beryllium pro Atom Thorium gehalten wird. Diese Berechnungen basieren auf der Voraussetzung einer Brennstoffbeziehung von 5 Atomen Graphit für 2 Atome Beryllium, wie sie bei dem oben beschriebenen Brennstoffelement mit einem Graphitkörper der Dichte 1,8 g/cm³ gilt.When using composite ceramic fuel elements with ceramic beryllium and graphite with the dimensions given above, it turns out that plutonium can be successfully used in the replenishment as an additional enrichment agent if the ratio of beryllium to thorium is between 25 and 55 atoms of beryllium per atom of thorium is held. These calculations are based on the assumption of a fuel relationship of 5 atoms of graphite for 2 atoms of beryllium, as applies to the ^{fuel element described above with a graphite body with a density of 1.8 g / cm 3.}

Die folgenden Beispiele veranschaulichen zwei Programme der Brennstoffverarbeitung in einem Kernreaktor, die bei Verwendung der Plutonium-Zusatzbeschickung zufriedenstellend arbeiten. Diese Beispiele dienen lediglich der Erklärung, jedoch nicht der Begrenzung der Erfindung.The following examples illustrate two fuel processing programs in one Nuclear reactors that operate satisfactorily using the plutonium supplemental charge. This Examples serve only to explain, but not to limit the invention.

Example I.

Das entsprechende Brennstoffbeschickungsprogramm für einen 1000 Mw (e) HTCR mit Thorium-Uran-Brennstoffzyklus ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Bei diesem Programm sind das Thorium und das angereicherte Uran bei der Erstbeschickung des Reaktors ohne Unterschied in denselben Brennstoffeinheiten enthalten. Es werden keramische Brennstoffelemente mit Graphitmoderator in der oben beschriebenen Bemessung und Anordnung verwendet.The corresponding fuel load program for a 1000 Mw (e) HTCR with thorium-uranium fuel cycle is shown in Fig. 1 schematically. In this program they are thorium and the enriched uranium in the initial loading of the reactor in the same fuel units without distinction contain. There are ceramic fuel elements with graphite moderator in the above-described Dimensioning and arrangement used.

Die Anfangselemente enthalten mit einem pyrolytischen Kohlenstoffüberzug versehene Teilchen aus Uran-Thorium-Karbid. Die Dichte der Brennstoffpackung und das Uran-Thorium-Verhältnis sind so eingestellt, daß das Kohlenstoff-Thorium-Verhältnis in den Brennstoffelementen, die den Reaktorkern bilden, ungefähr 200 Kohlenstoffatome pro Thoriumatom beträgt. Es wird ein Nachbeschickungszyklus von 4 Jahren durchgeführt, wobei jedes Jahr ein Viertel der Brennstoffelemente ersetzt wird.The initial elements contain pyrolytic carbon coated particles of Uranium thorium carbide. The density of the fuel pack and the uranium to thorium ratio are like this adjusted that the carbon-thorium ratio in the fuel elements that make up the reactor core form, is approximately 200 carbon atoms per thorium atom. It becomes a refill cycle carried out over a period of 4 years, with a quarter of the fuel elements being replaced every year.

Am Ende der ersten zwei Jahre wird ungefähr ein Achtel der Brennstoffelemente entfernt, und der Brennstoff in diesen Elementen wird als eine einzige Masse aufgefrischt, wobei das Uran vom Thorium sowie von den leichteren Spaltprodukten getrennt wird. Das Thorium wird, falls erwünscht, zurückgewonnen. Zusätzliches aus einem anderen Reaktor entnommenes Plutonium in einer Menge von etwa 100 kg, das sich aus den obengenannten prozentualen Anteilen von Isotopen (78% Pu²³⁹, 17⁰/oPu²⁴<>, 5% Pu²⁴¹) zusammensetzt, wird dem zurückgewonnenen Uran beigefügt, wodurch das spaltbare Material für die Ersatzbrennstoffelemente gebildet wird. Uran und Plutonium werden in Karbidverbindung verwendet. Zur Bildung der fruchtbaren Kerne wird entweder das gesamte frische Thorium oder frisches Zusatzthorium zusammen mit zurückgewonnenem Thorium in die Brennstoffeinheiten eingegeben. Das Kohlen-At the end of the first two years, approximately one eighth of the fuel elements are removed and the fuel in these elements is rejuvenated as a single mass, separating the uranium from the thorium as well as the lighter fission products. The thorium is recovered if desired. Additional plutonium taken from another reactor in an amount of about 100 kg, which is composed of the above percentages of isotopes (78% Pu ²³⁹ , 17 ⁰ / oPu ²⁴ <>, 5% Pu ²⁴¹ ) is added to the recovered uranium thereby forming the fissile material for the substitute fuel elements. Uranium and plutonium are used in carbide compound. Either all of the fresh thorium or fresh additional thorium together with recovered thorium is added to the fuel units to form the fertile nuclei. The coal

stoff-Thorium-Verhältnis in den Ersatzbrennstoffelementen beträgt etwa 200 :1.fuel-thorium ratio in the substitute fuel elements is about 200: 1.

Dieser Vorgang wird in Abständen von einem halben Jahr wiederholt. Die Ersatzbrennstoffelemente haben einen Alterungsfaktor von etwa 1,45, der einen annehmbaren Wert darstellt.This process is repeated every six months. The substitute fuel elements have an aging factor of about 1.45, which is an acceptable value.

Während eines Anfangszeitraumes von fünfeinhalb Jahren arbeitet der Reaktor in der vorgeschriebenen Weise. Nachdem der achte Ersatz von Brennstoffelementen durchgeführt ist, enthalten alle Elemente im Reaktorkern Zusatzplutonium, und der Reaktor arbeitet in der gewünschten Weise weiter. Berechnungen ergeben, daß ein Konversionsfaktor von etwa 0,73 erreicht wird. Außerdem zeigt sich, daß die Zahl der Spaltungen pro spaltbares Anfangsatom etwa 1,2 beträgt.During an initial period of five and a half years, the reactor works in the prescribed manner Wise. After the eighth replacement of fuel elements is carried out, contain all elements additional plutonium in the reactor core, and the reactor continues to operate in the desired manner. Calculations show that a conversion factor of about 0.73 is achieved. It also shows that the Number of cleavages per fissile initial atom is about 1.2.

Die Betriebsweise des HTGR mit diesen Graphit-Brennstoffelementen, die zusätzliche Anreicherung durch anfallendes Plutonium enthalten, ist voll befriedigend. The mode of operation of the HTGR with these graphite fuel elements, contain the additional enrichment by accumulating plutonium, is completely satisfactory.

Dieser skizzierte Verfahrensablauf ist zum besseren Verständnis schematisch in F i g. 1 dargestellt. In dieser F i g. 1 sind von links nach rechts fortschreitend die zeitlich aufeinander folgenden Verfahrensschritte angegeben, die jeweils zu einem neuen Brennstoffelement mit anderer Zusammensetzung führen. Von links beginnend wird zunächst Thorium und angereichertes Uran zu einem Brennstoffelement A zusammengesetzt, das die Anfangsbeschikkung des Reaktors darstellt. Nach einer gewissen Laufzeit wird ein Teil der Brennstoffelemente entnommen und durch neue Brennstoffelemente ersetzt, in denen das noch in den verbrauchten Brennstoffelementen enthaltene Thorium verwandt wird und zusätzliches Thorium zugesetzt wird. Weiterhin wird in diesen neuen Brennstoffelementen das aus den verbrauchten Brennstoffelementen aufbereitete Uran wieder verwandt, und es wird diesen neuen Brennstoffelementen ein Zusatz an Plutonium hinzugegeben. Nach dem Einsetzen der neuen Brennstoffelemente ist der Reaktor somit zum ersten Male nachbeschickt, und dieser Zustand ist in der F i g. 1 mit der Bezeichnung »Nachbeschickung Nr. 1« gekennzeichnet. Nach dieser ersten Nachbeschickung weist der Kernreaktor die Brennstoffelemente B auf.This outlined process sequence is shown schematically in FIG. 1 shown. In this fig. 1 shows the procedural steps that follow one another in time, progressing from left to right, each of which leads to a new fuel element with a different composition. Starting from the left, thorium and enriched uranium are first combined to form a fuel element A , which represents the initial charge to the reactor. After a certain running time, some of the fuel elements are removed and replaced by new fuel elements in which the thorium still contained in the used fuel elements is used and additional thorium is added. Furthermore, the uranium processed from the used fuel elements is reused in these new fuel elements, and an additive of plutonium is added to these new fuel elements. After the new fuel elements have been inserted, the reactor has been refilled for the first time, and this state is shown in FIG. 1 marked with the designation »Nachbeschickung Nr. 1«. After this first replenishment, the nuclear reactor has the fuel elements B.

Werden nach einer weiteren Laufdauer weitere verbrauchte Brennstoffelemente entfernt und durch neue ersetzt, so wiederholt sich der oben angegebene Vorgang bei der Beschickung dieser neuen Brennstoffelemente, und man erhält nach dieser zweiten Nachbeschickung des Kernreaktors einen Zustand, in dem der Kernreaktor die Brennstoffelemente C oder allgemein nach' der X-ten Nachbeschickung die Brennstoffelemente X enthält.If, after a further period of operation, further used fuel elements are removed and replaced with new ones, the above process is repeated when charging these new fuel elements, and after this second subsequent charging of the nuclear reactor, a state is obtained in which the nuclear reactor has the fuel elements C or generally after 'the Xth replenishment contains the fuel elements X.

Example II

5555

Ein weiteres Programm zur Brennstoffbeschickung für den beschriebenen 1000 Mw (e) HTGR mit Thorium-Uran-Brutzyklus ist schematisch in Fig. 2 dargestellt, die entsprechend der Fig. 1 von links nach rechts fortschreitend die einzelnen zeitlich aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte beim Betrieb des Reaktors zeigt. Das in F i g. 2 dargestellte Verfahren unterscheidet sich von dem in F i g. 1 dargestellten Verfahren, wie weiter unten noch erläutert werden wird, im wesentlichen in der unterschiedlichen Anfangsbeschickung des Reaktors.Another program for fuel loading for the described 1000 Mw (e) HTGR with thorium-uranium breeding cycle is shown schematically in Fig. 2, corresponding to Fig. 1 from left to progressing to the right the individual procedural steps in chronological order in the operation of the Shows reactor. The in Fig. The method shown in FIG. 2 differs from that in FIG. 1 shown Process, as will be explained further below, essentially in the different initial charge of the reactor.

».,,. ;„ c; „ η H.,r.>pctf>11tf> Prnornmm für die Brennstoffbeschickung des genannten Kernreaktors arbeitet unter Verwendung der keramischen Brennstoffelemente-mit zusammengesetztem Bremsstoff gemäß F i g. 3, deren Abmessungen bereits beschrieben wurden. Es werden gleich viele Brennstoffelemente in derselben Anordnung wie im Beispiel I verwendet.». ,,. ; "C;" Η H., r.>Pctf>11tf> Prnornmm for the fuel loading of the said nuclear reactor works using the ceramic fuel elements - with a composite brake material according to FIG. 3, the dimensions of which have already been described. The same number of fuel elements are used in the same arrangement as in Example I.

Die Anfangsbrennstoffelemente sind mit Brennstoffteilchen gefüllt, die mit pyrolytischem Kohlenstoff überzogen sind und in gepackter Anordnung in jede Brennstoffbohrung eingefüllt sind. Die Dichte der Packung, das Uran-Thorium-Verhältnis und die Dichte des Beryllium-oxydrRundstabes sind so gewählt, daß das Beryllium-Thorium-Verhältnis in diesen den Reaktorkern bildenden Brennstoffelementen ungefähr 44 Berylliumatome pro Thoriumatom beträgt. Das Graphit im Brennstoffelementkörper und der Kohlenstoff im Brennstoff bilden ein Verhältnis von 5 Kohlenstoffatomen pro 2 Berylliumatome. Es wird eine Verweilzeit von 5 Jahren gewählt, wobei etwa ein Zehntel der gesamten Brennstoffelemente jedes halbe Jahr ersetzt wird.The initial fuel elements are with fuel particles filled, which are coated with pyrolytic carbon and in a packed arrangement in each fuel hole is filled. The density of the packing, the uranium-thorium ratio and the Density of the beryllium oxide rod are chosen so that the beryllium-thorium ratio in these fuel elements forming the reactor core is approximately 44 beryllium atoms per thorium atom. The graphite in the fuel element body and the carbon in the fuel form a relationship of 5 carbon atoms per 2 beryllium atoms. A residence time of 5 years is chosen, with about a tenth of the total fuel elements are replaced every six months.

Bei diesem Programm der Brennstoffbeschickung besteht die Anfangsbeschickung des Reaktors aus zwei Gruppen voneinander· getrennter Brennstoffeinheiten verschiedener Zusammensetzung. Es werden getrennte Teilchen aus Thoriumkarbid und Urankarbid verwendet. Die ersteren sind größer und erleichtern die spätere Trennung. Die mit »A « bezeichneten Brennstoffeinheiten enthalten das fruchtbare Thorium, während die mit »A^r« bezeichneten das angereicherte Uran enthalten, d. h. die Anreicherung beträgt etwa 93^!%>.In this fuel loading program, the initial loading of the reactor consists of two groups of separate fuel units of different composition. Separate particles of thorium carbide and uranium carbide are used. The former are larger and make it easier to separate them later. The fuel units marked with "A " contain the fertile thorium, while those marked with "A ^r " contain the enriched uranium, ie the enrichment is about 93 ^! %>.

Am Ende der ersten zwei Jahre werden ungefähr ein Zehntel der gesamten . Brennstoffelemente aus dem Reaktor entfernt. Die Brennstoffeinheiten A werden von den Einheiten A' getrennt und gesondert aufgefrischt. Das Bruturan in den Einheiten A, das vom fruchtbaren Thorium stammt, besteht haupt- . sächlich aus U²³³. Dieses wird vom Thorium, dem Neptunium und den Spaltprodukten getrennt und steht für die Verwendung in einem nachfolgenden Reaktorzyklus zur Verfügung. Das Thorium kann, falls erwünscht, gleichfalls zurückgewonnen werden. Die Brennstoffeinheiten A' werden zur Wiedergewinnung des Urans behandelt, das während des Reaktorzyklus nicht verbraucht wurde. Dieses Uran wird entweder verkauft oder in einem andersartigen Reaktor verwendet. Eine derartige Betriebsweise vermeidet eine Übertragung der schwerkernigen Giftstoffe, die durch Neutronenbindung an das U-235 entstehen, in folgende Reaktorzyklen.At the end of the first two years this will be about a tenth of the total. Removed fuel elements from the reactor. The fuel units A are separated from the units A 'and refreshed separately. The bruturane in units A, which comes from the fertile thorium, consists mainly. mainly from U ²³³ . This is separated from the thorium, the neptunium and the fission products and is available for use in a subsequent reactor cycle. The thorium can also be recovered if desired. The fuel units A ' are treated to recover the uranium that was not consumed during the reactor cycle. This uranium is either sold or used in a different type of reactor. Such a mode of operation avoids a transfer of the heavy toxins, which are produced by the binding of neutrons to the U-235, in the following reactor cycles.

In jedem der Ersatzbrennstoffelemente wird -Zusatzplutonium dem Bruturan beigefügt, um das erforderliche spaltbare Material zu bilden. Für jeden Ersatz von einem Zehntel der Brennstoffelemente im Kern werden etwa 70 kg Entnahmeplutonium benötigt, das sich aus den obengenannten prozentualen Anteilen an Isotopen (78%>Pu²³⁹, 17%> Pu²⁴⁰, 5%> Pu²⁴¹) zusammensetzt. Zur Bildung der fruchtbaren Kerne wird entweder das gesamte frische Thorium oder frisches Thorium oder frisches Zusatzthorium zusammen mit aufgefrischtem Thorium in den Brennstoffelementen verwendet. Uran, Plutonium und Thorium werden als Karbidverbindungen verwendet. Der Brennstoff wird durch keinerlei Maßnahme in den Ersatzbrennstoffelementen zerlegt, da Uran, Thorium und Plutonium bei der Auffrischung chemisch Getrennt werden können. Das Beryllium-Thorium-In each of the surplus fuel elements, extra plutonium is added to the breeding uranium to form the necessary fissile material. For each replacement of one tenth of the fuel elements in the core, around 70 kg of plutonium are required, which is made up of the above percentages of isotopes (78%> Pu ²³⁹ , 17%> Pu ²⁴⁰ , 5%> Pu ²⁴¹ ). Either all of the fresh thorium or fresh thorium or fresh additional thorium is used together with refreshed thorium in the fuel elements to form the fertile nuclei. Uranium, plutonium and thorium are used as carbide compounds. The fuel is not broken down into the substitute fuel elements by any means, since uranium, thorium and plutonium can be chemically separated during the replenishment process. The beryllium-thorium

Verhältnis in den Ersatzbrennstoffelementen wird gleichfalls auf 44:1 gehalten. Die Ersatzbrennstoffelemente haben einen Altenmgsfaktor von etwa 1,38, der einen annehmbaren Wert darstellt. Dieses Verfahren des Brennstoffelementersatzes wird halbjährlieh wiederholt.The ratio in the substitute fuel elements is also maintained at 44: 1. The substitute fuel elements have an aging factor of about 1.38, which is an acceptable value. This method the fuel element replacement is repeated every six months.

Während einer Dauer von sechseinhalb Jahren arbeitet der Reaktor in der erwünschten Weise. Nach dem zehnten Ersatz von Brennstoffelementen enthalten alle Brennstoffelemente im Reaktorkern zusätzliches Plutonium, und der Reaktor arbeitet im Gleichgewichtszustand weiter, wie erwünscht. Berechnungen ergeben einen Konversionsfaktor von etwa 0,85 und eine Zahl von etwa 1,5 Spaltungen pro spaltbares Anfangsatom.For a period of six and a half years, the reactor works as intended. To For the tenth replacement of fuel elements, all fuel elements in the reactor core contain additional items Plutonium, and the reactor will continue to operate in equilibrium as desired. Calculations result in a conversion factor of around 0.85 and a number of around 1.5 divisions per fissile initial atom.

Die Arbeitsweise des HTGR mit diesen Brennstoffelementen mit zusammengesetztem keramischem Moderator und zusätzlicher Anreicherung in Form von anderweitig entnommenem Plutonium ist voll befriedigend.How the HTGR works with these fuel elements with composite ceramic moderator and additional enrichment in form from otherwise extracted plutonium is fully satisfactory.

Die Erfindung stellt ein sehr flexibles Verfahren zum Betrieb eines Kernreaktors mit Thorium-Uran-Brutzyklus dar, das einen Betrieb des Reaktors mit Brennstoff umlauf Zyklen erlaubt, in denen eine zusätzliche Anreicherung in Form von anderweitig anfallendem Plutonium oder angereichertem Uran vorgenommen wird, je nach wirtschaftlichen oder anderen Gesichtspunkten. Außerdem ermöglicht die Erfindung eine lange Erhaltung von angereichertem Uran.The invention provides a very flexible method of operating a nuclear reactor with a thorium-uranium breeding cycle represents, which allows an operation of the reactor with fuel circulation cycles in which an additional Enrichment carried out in the form of otherwise accumulating plutonium or enriched uranium depending on economic or other considerations. The invention also enables a long conservation of enriched uranium.

Claims

Patent claims:

^{1. A method for fueling} a nuclear reactor which is operated with a thorium 232233 uranium ²³³ breeding cycle, the reactor core being charged with ^{fuel units containing thorium 232} and uranium ²³⁵ for the initial charging of the reactor, and one part at a time during operation of the reactor of the fuel units to remove the fission products and to recover the uranium ^{233 is} removed from the reactor core and re-charged with fuel, characterized in that the part of the fuel units to be charged is charged with thorium ²³² , hatched uranium ²³³ and plutonium ²³ ».

2. The method according to claim 1, characterized in that the reactor is operated from the initial charging of the reactor core with thorium ²³² , hatched uranium ²³³ and plutonium ² · ™ containing fuel units with a conversion factor of at least 0.75.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the plutonium ²³⁹ used for charging is part of a plutonium isotope mixture, as is generated by a converter reactor known per se.

4. Power breeder reactor for carrying out a fuel charging process according to one of claims 1 to 3, which ^{operates with a thorium 232} · ²³³ ^{uranium 233} breeding cycle with a conversion factor of at least 0.75 and a state of equilibrium with regard to the formation and conversion of U ²³³ located

• Has reactor core, which is formed by a number of ceramic, nuclear fuel-containing fuel units, of which a part is re-charged at time intervals, characterized in that the newly charged fuel ^{units contain uranium 233} , thorium ²³² and plutonium ²³⁹ and that the amount of Plutonium ²³⁹ is dimensioned in such a way that there is sufficient enrichment to compensate for a conversion factor below 1.0, so that the reactor continues to operate in a state of equilibrium after some of the fuel units have been recharged.

1 sheet of drawings