DE1639392A1

DE1639392A1 - Verfahren zur reversiblen AEnderung der Borsaeurekonzentration im Primaer-Kuehlwasser von Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1639392A1
Application number: DE19681639392
Authority: DE
Inventors: Dipl-Chem Dr Rer Nat G Graemer; Guenter Wittrowsky
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1968-01-23
Filing date: 1968-01-23
Publication date: 1971-02-04
Also published as: BE727132A; US3666626A; CH497024A; ATA1125368A; SE338115B; DE1639392B2; NL6900089A; DE1639392C3; AT325723B; FR1598608A

Description

SIEIffiNS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, den 22. JAK. 1968

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Verfahren zur reversiblen Änderung der Boroäurekonzentration im Primär-Kühlwasser von Kernreaktoren

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur reversiblen Änderung der Borsäurelconsentration im Primär -Kühl wasser von Kernreaktoren.

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Die Einbringung von xior säure in das Primärkühl wasser eines Kernreaktors hat sich als sehr vorteilhaft für die Kompensation der sogenannten Uberschuur.eaktivität herausgestellt. Die Höhe der Borkonzentration muß je nach dem Betriebszustand des Real·:- tors einreguliert werden, insbesondere beim Lastwechsel des Kernreaktors müssen entsprechende Konzentrationaänderunden vor^enernmon werden. Bisher war es üblich, eine Erniedrigung des borsäure^ehaltes durch Verdünnen des Primärkühlwassors mit vollentsalztem Wasser durchzuführen. Das abgezogene borhalt ige Primärkühlwaeeer mußte dabei mit Alkälilauge neutraliciert und dann der Abfallaufbereitung zugeführt werden. Dadurch entsteht vor allem bei Laetzyklenfahrweiee ein beträchtlicher radioaktiver Abfall.

Nach einem nicht vorveröffentlichten Vorschlag, siehe Patentanmeldung S 101 450 VIIIc 21g, PLA 66/1016, wurde in der Zwischenzeit das Aufbereitungoverfahren so verbessert, daß das abgezogene PrinftrkühlwaBeer nicht mehr neutralisiert werden muß, sondern in einer Destillationaanlage in Borsäurekonzentrat und destilliertes Wasser aufgetrennt wird. In diesem Fall fällt also bei der Erniedrigung dee Boreäuregehaltee kein radioaktiver Abfall mehr an. Es müssen aber stete beträchtliche Wassermengen wieder aufbereitet werden, was Bit einem hohen Energieverbrauch verbunden ist.

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Ee stellte sich daher die Aufgabe, den Verfahren zur Ändeiung der SorBäurekonzentration bo i-u gestalten, daß die bisher notwendige Aufkonzentrierung der verdünnten, dem Primärkreislauf entzogenen, Borsäurelöeung entfallen kann.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß mit Borsäure beladene, Ionenaustauscherharze für die An- und Abreicherung der Borsäure im Primär-Kühlwasκer verwendet werden, a wobei die Änderung der Speicherkapazität der Ionenaustauscher während des Durchlaufes des Wassere durch eine Änderung der Betriebstemperatur derselben bzw. des Wassere erzielt wird und eine Anlagerung dei Borsäure an das Ionenaustauscherharz bei einer Temperatur von etwa 0 - 40 ⁰C, eine Freigabe derselben dagegen aus dem Ionenaustauscher bei einer Temperatur von etwa 6C - 90 ⁰C erfolgt. Damit ist es nunmehr möglich, die gesamte für die Kompensation der Reaktorüberschußreaktivität, a]cc für die Reaktortximmung notwendige Borsäure in Ionenaustauscherharzen zu speichern und die Konzentration im Wasser \ nur ie nach dem Lastfahrprogramm durch dieselben reversibel zu regeln.

Der Vorteil dieses neuen Verfahrens liegt also darin, daß durch die Heiß-Kalt-Behandlung der Ionenaustauscherharze die im Primärsystem befindliche Borsäure dem Kreislauf nicht direkt entzogen zu werden braucht, sondern nur in einer entsprechenden Anlage gespeichert wird, wogegen bei einer chemischen Regeneration

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eine irreversible Entfernung der Borsäure erfolgen riüJ.ie.

Aur diesen rwti Grundprinzipien der vorliegenden Erfindung ergibt 'sich, daß der Eorsäureumsatz und damit verbunden auch die Entstehung von radioaktivem Abfall auf ein Minimum reduziert wird. Weiterhin kann der Betrieb einer solchen Anlage leicht automatisiert werden.

In der anliegenden Figur ist eine nach diesem Verfahren funktionierende Anlage zur reversiblen Änderung der Borsäurekonzentration scheiaatisch dargestellt. Sie ist an den Kernreaktor R angeschlossen und besteht zunächst aus den Wärme tau r; ehern 1A und 1B und einer Kühl wasserentnahmevorrichtung ? - an sich bekannter Konstruktion - die die aus dom Primäikreislauf zu entnehmende Wassermenge steuert. Dieses Wasser gelangt dann zu einem Mischbettf:: 3 ter 5> ebenfalls ειη sich bekannte lauert und v/ird dort normal gereinigt. Anschließend i.tro:.i, aas Wasser durch die Bor-aäur-espeicher 5 , entweder über dae Ventil ;-2 oder über das Ventil 31 und den nachgescha^eten Kühler 4. Fernach gelangt es über die Ventile 51 bzw. 52 und die Pumpe G sowie den Wärmetauscher 1A wieder zurück in den Reaktorkrcjε-lauf. Gestrichelt dargestellt ist ein Vorratsbehälter 7 für Wasser von 60 - 90 ⁰C sowie eine an sich bekannte Borsäureaufkonzentrierungseinrichtung 8, die über Ventile 71 bzw. 72 mit dieser Einrichtung verbunden sind.

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Die Funktion dieser Einrichtung oei nun anhand verschiedener Aufgabenstellungen aus der Praxis erläutert.

1. Borsäurespeicherung bei Lastwechsel - die Borsäurekonzentration im Primärkreislauf des Reaktors soll erniedrigt werden: Das Primärkühlwasser verlädt den Kernreaktor R und wird in den Wärmetauschern 1A und 1B beispielsweise auf 60 ⁰C abgekühlt und gelangt alsdann in die Kühlwasserentnahmevorrichtung 2. Von dort wird die gewünschte Wassermenge abgezogen, geht durch das Miachbettfilter 3, wird dort gereinigt und gelangt über das Ventil j>1 in den Kühler 4, wo es beispielsweise auf 10 G abgekühlt wird. Von dort aus durchströmt das borsäurehaltige Primärkühlwaß.er die Boraäureipeicher 5 von oben nach unten. Dabei wird die Borsäure an Ionenauctauscherharzen gespeichert, über das Ventil 51 gelangt das Wasser au der Hochdruckpumpe 6 und von dort über den Wärmetauscher 1 A wieder in den Kernreaktor zurück. Dabei wird es wieder erwärmt und kühlt gleichzeitig die aua dem Reaktor entnommene Wassermenge beispielsweise auf 60 ⁰C ab. Sollte diese Kühlung nicht ausreichen, so kann auch ein mit Premdwasser gekühlter Wärmetauscher 1B im Bedarfsfalle zugeschaltet werden.

2. Borsäurefreisetzung bei Lastwechoel - das Primärkühlwasier soll mit Borsäure angereichert werden:

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Bis zum Mischbettfilter 3 bleibt dor vorbenohrjebene Strümur.f l.-weg unverändert. Nunmehr wird jedoch das Ventil 31 gesehlocren und das Ventil 32 geöffnet, so daß das Wasüer die Porräurespeicher von unten nach oben durchströmt. Durch daß Wasser, das sich auf einer Temperatur beispielsweise von 60 - 90 ⁰C befindet, v/iro die gespeicherte Borsäure aur. den Au:;tauccherharsen ausgewaschen. Anschließend strömt das mit Loraäuie angereicherte Wasser über das Ventil 52 sowie übor die Hochdruckpumpe 6 und den Wärmetauscher 1A wieder zurück in den Kernreaktor R.

3. Borsäureentnug aus den System:

Durch den Neutronenabsorptionseffekt dev Bors, also den Neutroneneinfang, findet u.a. eine Umwandlung des Eorisotops B 10 in Isotop B 11 statt, das Neutronen nicrit absorbiert. Es ist daher notwendig, nach einer gewissen Betriebf.zeit, die an Bor abgereicherte Borsäurelösung aus dem Frimärkreislauf wenigstens zum Teil zu entfernen. Dazu werden die Borsäurespeicher 5 - wie bereits beschrieben - mit Borsäure beladen. Dann wird vom Vorratsbehälter 7 heißes Wasser von beispielsweise 70 ⁰C über das Ventil 71 von unten nach oben durch die Borsäurespeicher 5 geleitet und über das Ventil 72 der Borsäureaufkonzentrierungsanlage 8 zugeführt. Auf diese Weise wird abgereicherte Borsäure in der gewünschten Menge dem Primärkreislauf entnommen, Borsäure mit natürlicher Isotopenzusammensetzung kann anschließend in analoger Weise in den nunmehr freim Borsäurespeichern 5 angelagert werden und steht somit innerhalb des Primärkreislaufs

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des Kernreaktors zum Einsatz bereit.

4. Primal kühlwasser reinigung olme Forentzug:

Das Priinärkühlwanser strömt aus dem Reaktor durch den Wärmetauscher 1A und 1B in die Kühlwasserentnahmevorrichtung 2, über den Kisehbettaurtauscher 3 sowie über Ventil 32, ^A zur Hochdruckpumpe 6 und über den Wärmetauscher 1A wieder zurück in den Reaktor. Pur diesen Fall werden also die Borsäurespe;; eher nicht benötigt und werden durch entsprechende Stellung der Ventile vom Primärkühlwasser nicht durchströmt.

A3 π Ionenaustauscher Tür die i-orsäuresieicherung werden vorzujs-Wtrice stark basische Anionenauetauccheiharze auf PoJ;. styrol ha ii.··, r.E. Lewatit M 5OG in der P.orat-Ieladun£ verwendet. Diese Harze künnon ohne Schwierigkeiten iait heilem Wasser ausgev;aschen worden und worden in der Eoratbeladung erst oberhalb von 9C C zert-ctzt. Hinsichtlich der Behälter für die Ionenaustauscher ist r.u ί,-iigen, daß für die Eoispeicher oberhalb und untcrlialb der Har:-- füliung ein Sperrsieb vorgesehen i.-eir. mul^:, damit die il&rze "licht in das Kohrleitungssystem gelangen können. Da nur eine Hei.'.-Kaltlehandlung mit Wasser erfolgt, ist die Lebensdauer praktisch nicht- beschränkt. Die Größe der Borspeicher richtet sich nach dem erforderlichen Durchsatz und der zu speichernden Eorsäuremenge. Die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers in den einzelnen Borspeichern liegt etwa in der Größenordnung zwischen 5 und 50 m pro Stunde.

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Ein aus der Praxis gewähltes Zahlenbeispiel zeigt nun, welche Ergebnisse sich mit einer derartigen Anlage erzielen lassen. Die Aufgabe sei, daß die Borkonzentration im Primärkreislauf bei Lastwechsel um 150 ppm reversibel veränderbar ist. Der unterste Konzentrationspunkt erfordert dabei eine Borkonzentrationsänderung von 250 ppm auf 100 ppm. Die Größe der Borspeicherionenaustauscher 5 wird durch diese letzte Forderung bedingt. Es werden dazu etwa 10 Kubikmeter Ionenaustauscherharze benötigt. Um dem Bor 10-Abbrand Rechnung zu tragen, durch den am Ende der Kernreisezeit die Spanne in der Borkonzentrationsänderung vergrößert wird, ist es zweckmäßig, dienes Volumen auf 12 Kubikmeter zu erhöhen, so daß ohne Borsäureaustausch bis zu einer Bor 10-Abreicherung um etwa 20 i» gearbeitet werden kann. Wie in der Figur dargestellt, ist es dabei zweckmäßig, mehrere Borspeicher 5 parallel anzuordnen. Für das vorliegende Zahlenbeispiel hätte demnach jeder dor drei Borspeicher ein Volumen von 4 Kubikmeter. Der Wasserdurchsatz dieser Einheiten beträgt dabei etwa 40 Kubikmeter pro Stunde. Damit wird im untersten Konzentrationswechselbereich der Borgehait im Primärkreislauf um 60 ppm pro Stunde gesenkt, was einer Reaktivitätsänderungsgeschwiridigkeit von 0,67 # pro Stunde entspricht.

is ist selbstverständlich beoonders vorteilhaft, die Steuerung und den Ablauf dieser Verfahren zu -automatisieren. Die dafür wesentlichsten Elemente sind in ihrem FunktionsZusammenhang ijchematisch in der Figur eingezeichnet. Zur kontinuierlichen

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Messung der Borsäurekonzentration sind an sich bekannte Geräte 9a und 9b vor und hinter den Ionentauschern vorgesehen. Ein Prozeßrechner 10 verwertet laufend deren Signale und steuert entsprechend eingegebener, von der vorgegebenen Lastzyklenfahrzweise des Reaktors abhängiger Sollwerte, Durchfluß, -Menge, -Zeit, Temperatur des durchlaufenden Kühlwassers, was durch Wirkverbindungslinien zu den einzelnen Ventilen angedeutet ist.

Weitere für die Überwachung des geschilderten Verfahrens notwendige Meßinstrumente sind in der Figur der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet, sie gehören zum Stand der Technik und wurden daher auch nicht näher erwähnt. Selbstverständlich sind zur Durchführung auch noch andere Schaltungsmöglichkeiten der Borsäurespeicher möglich, so brauchen z.B. nicht alle Borsäurespeicher gleichzeitig im Einsatz sein, auch können mit frischem Bor beladene Speicher in Reserve stehen, damit für die Einspeisung frischen Bors im Vergleich zu den beschriebenen Beispielen Zeit gespart werden kann. Weiter können die Borsäurespeicher beim Beladen und Entladen entweder nur von oben nach unten oder von unten nach oben durchströmt werden.

Auch eine pahrweise in Reihenschaltung sämtlicher Borsäurespeicher i$t möglich.

Bei Einsatt des Verfahrens für Schwerwasser gekühlte oder mo derierte Kernreaktoren ergeben sich besondere Vorteile, da

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das bei üblicher chemischer Regeneration anfallende abgereicherte Schwerwasser entfällt.

5 Patentansprüche
1 Figur

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Claims

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Patentansprüche

1. Verfahren zur reversiblen Änderung der Borsäurekonzentration im Primärkühlwas3er von Kernreaktoren, dadurch, gekennzeichnet, dafc» mit Borsäure beladene, Ionenaustauscherharze für die An- und Abreicherung der Borsäure im Primärkühlwasser verwendet werden, wobei die Änderung der Speicherkapazität der Ionenaustauscher während des Durchlaufes des Wassers durch eine Änderung der Betriebstemperatur derselben bzw. des Wassers erzielt wird und eine Anlagerung der Borsäure an das Ionenaustauscherharz bei einer Temperatur von etwa 0-40 C, eine Freigabe derselben dagegen aus dem Ionenaustauscher bei einer Temperatur von etwa 60 - 90 ⁰C erfolgt.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine an sich bekannte Kühlwasser entnahmevorrichtung, die über Wärmetauscher zur Konstanthaltung der Temperatur von ca. 60 - 90 ⁰C an den Rr-aktorkühl kreislauf angeschlossen ist, über eine an sich bekannte Mischbettreinigungsanlage aus Anionen/Kathodenaustauscherharzen mit Borsäurespeichern aus Ionenaustauscherharzen verbunden ist und daß Umschaltvorrichtungen für die wahlweise Führung des Kühlwasseretromes durch einen Kühler

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zur Erzielung einer Betriebstemperatur von ca. O - 40 ⁰C vor dem Eintritt in die Borsäurespeicher vorgesehen sowie eine Hochdruckpumpe für die Rückführung des behandelten Primärkühlwasser in den Primärkreislauf des Kernreaktors in die Rückführungsleitung zu einem Rekuperativwärmetauseher eingeschaltet ist.

•5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß die der Borsäurespeicherung dienenden Ionenaustauscher für den Belade- und Entladevorgang in jeweils umgekehrter Durchströmungsrichtung geschaltet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionentauscher parallel und/oder hintereinander in den Strom des Kühlwassers eingeschaltet sind.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere für die Automatisierung aa eich bekannte Geräte zur selbsttätigen Messung der Borsäurekonzentration vor und nach den Ionentauscher» vorgesehen sind, deren Werte zusauen alt den Borsäureeollwerten, enteprechendeiner vorgegebenen Lastzyklenf&hrweise des Kernreaktors, in einem Prozeßrechner zur Einstellung von Durchflußweg, Menge, Zeit. und Temperatur verwertet werden.

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