DE1201498B

DE1201498B - Heterogeneous nuclear reactor with liquid hydrocarbons serving as moderator and coolant

Info

Publication number: DE1201498B
Application number: DEC25095A
Authority: DE
Inventors: Gabriel De Gaudemaris
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1960-09-21
Filing date: 1961-09-19
Publication date: 1965-09-23

Description

Heterogener Kernreaktor mit als Moderator und als Kühlmittel dienenden flüssigen Kohlenwasserstoffen Die Erfindung bezieht sich auf einen heterogenen Kernreaktor, bei dem gleichzeitig-als Moderator und als Kühlmittel dienende flüssige Kohlenwasserstoffe, innerhalb deren Masse die Brennstoffelemente angeordnet sind, in einem Primärkreislauf durch das Innere des Reaktorkerns sowie durch einen Wärmeaustauscher im Zwangsumlauf strömen, durch den sekundärseitig eine verdampfende Flüssigkeit strömt, und bei dem ein Teil der bestrahlten Kohlenwasserstoffe kontinuierlich aus dem Primärkreislauf abgezogen und als Brennstoff ausgenutzt wird und eine entsprechende Menge an frischen flüssigen Kohlenwasserstoffen kontinuierlich zugeführt wird.Heterogeneous nuclear reactor with a moderator and a coolant liquid hydrocarbons The invention relates to a heterogeneous nuclear reactor, in the case of the liquid hydrocarbons serving as moderator and coolant at the same time, within the mass of which the fuel elements are arranged, in a primary circuit through the interior of the reactor core and through a heat exchanger in forced circulation flow through which an evaporating liquid flows on the secondary side, and at which a part of the irradiated hydrocarbons continuously from the primary circuit withdrawn and used as fuel and a corresponding amount of fresh liquid hydrocarbons is continuously supplied.

Die bekannten Kernreaktoren dieser Art arbeiten mit flüssigen Kohlenwasserstoffen, deren Zersetzung unter dem Einfluß der radioaktiven Strahlung in dem Reaktorkem möglichst gering ist. Auf diese Weise soll der Anteil an polymeren Zersetzungsprodukten möglichst klein gehalten werden.The known nuclear reactors of this type work with liquid hydrocarbons, their decomposition under the influence of radioactive radiation in the reactor core is as low as possible. In this way, the proportion of polymeric decomposition products should be kept as small as possible.

Zur Vermeidung nennenswerter Verluste an teuren zersetzungsbeständigen Kohlenwasserstoffen werden die abgezogenen Mengen einer Aufbereitung unterzogen, in deren Verlauf die teerigen Fraktionen entfernt werden. Die so gereinigten Kohlenwasserstoffe werden im allgemeinen dem Kreislauf wieder zugeführt. Nur im Fall extremer Reinheitsanforderungen ist die Möglichkeit vorgesehen, die Reste als Brennmaterial in einem an sich ebenfalls bekannten überhitzer zu verwenden. Die auf diese Weise erreichte Steigerung der Abdampftemperatur ist jedoch angesichts der Kleinheit der von der Zersetzung betroffenen Mengen an Kohlenwasserstoff nur unbedeutend.To avoid significant losses of expensive decomposition-resistant Hydrocarbons are subjected to the withdrawn quantities of a processing, in the course of which the tarry fractions are removed. The hydrocarbons purified in this way are generally fed back into the cycle. Only in the case of extreme purity requirements the possibility is provided to use the remains as fuel in itself as well known to use superheaters. The increase in However, the evaporation temperature is affected by the decomposition in view of the smallness Amounts of hydrocarbons only insignificant.

Der wesentliche Nachteil dieser bekannten Reaktoren liegt vor allem im Preis der zersetzungsbeständigen Kohlenwasserstoffe, die in erheblichen Mengen erforderlich sind, durch den sich die Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage erheblich vermindert, wenn sie nicht überhaupt in Frage gestellt wird. Erschwerend wirkt sich hier noch weiter aus, daß die Betriebstemperatur im Interesse einer Verlangsamung der thermischen Zersetzung des teuren Moderators nicht besonders hoch werden darf, wodurch sich der thermische Wirkungsgrad der Anlage weiter vermindert.The main disadvantage of these known reactors lies above all in the price of decomposition-resistant hydrocarbons, which in significant quantities are required, through which the profitability of the entire system is considerably diminished if it is not questioned at all. To make matters worse Here even further out that the operating temperature in the interests of slowing down the thermal decomposition of the expensive moderator must not be particularly high, whereby the thermal efficiency of the system is further reduced.

Aufgabe der Erfindung war es daher, einen Reaktor zu entwickeln, der unter Vermeidung der geschilderten Nachteile der bekannten Reaktoren die Möglichkeit bietet, einen billigen Stoff als Moderator und als Kühlmittel zu verwenden, der die Wirtschaftlichkeit der Anlage erhöht.The object of the invention was therefore to develop a reactor which while avoiding the disadvantages of the known reactors described above, the possibility offers to use a cheap substance as a moderator and as a coolant, the increases the profitability of the system.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß Kohlenwasserstoffe zur Anwendung gelangen, die je 100 eV absorbierter Strahlungsenergie in mehr als 0,5 Gasmoleküle (GGas > 0,5) und/oder in mehr als 0,75 polymere Zersetzungsprodukte (Gp"j,.. > 0,75) zerfallen, und daß die abgezogenen Kohlenwasserstoffe in an sich bekannter Weise in einem überhitzer verbrannt werden, in dem sie den von der Sekundärseite des Wärmeaustauschers her einströmenden Dampf überhitzen.According to the invention, this object is achieved in that hydrocarbons are used which per 100 eV of absorbed radiation energy in more than 0.5 gas molecules (GGas > 0.5) and / or in more than 0.75 polymeric decomposition products (Gp "j,. . > 0.75) disintegrate, and that the withdrawn hydrocarbons are burned in a known manner in a superheater in which they overheat the steam flowing in from the secondary side of the heat exchanger.

Als Kernbrennstoff kann ein üblicher Brennstoff verwendet werden, z. B. auf der Basis von natürlichem Uran, Uran 235, Uran 233, Plutonium 239 oder einer Mischung dieser Stoffe. Der Moderator (zugleich Kühlmittel) erhitzt sich in Berührung mit dem Brennstoff und gibt die Wärme an das Wasser ab und ermöglicht dessen Verdampfung in einem oder mehreren Wärmeaustauschern. Der Dampf wird in einem Ofen überhitzt, bei dem als Brennstoff der bestrahlte Kohlenwasserstoff und seine gasförmigen Zersetzungsprodukte dienen.As the nuclear fuel, a common fuel can be used, e.g. B. on the basis of natural uranium, uranium 235, uranium 233, plutonium 239 or a mixture of these substances. The moderator (also coolant) heats up in contact with the fuel and transfers the heat to the water and enables it to evaporate in one or more heat exchangers. The steam is superheated in a furnace that uses the irradiated hydrocarbon and its gaseous decomposition products as fuel.

Das verwendete flüssige Moderator-Kühlmittel besteht vorzugsweise aus Kohlenwasserstoffen mit hoher Siedetemperatur, z. B. oberhalb 2500 C und vorzugsweise oberhalb 300' C bei Atmosphärendruck. Die Zusammensetzung und der Ursprung dieser Kohlenwasserstoffe sind gleichgültig, so daß es zweckmäßig ist, Stoffe von geringem Handelswert zu verwenden, z. B. ein Gasöl oder ein Sehweröl irgendeiner Zusammensetzung, wie Petroleum.The liquid moderator coolant used preferably consists of hydrocarbons with a high boiling point, e.g. B. above 2500 C and preferably above 300 'C at atmospheric pressure. The composition and origin of these hydrocarbons are immaterial, so that it is advisable to use substances of little commercial value, e.g. B. a gas oil or a sight oil of any composition such as petroleum.

Es ist jedoch vorzuziehen, nur Kohlenwasserstoffe mit geringem Schwefelgehalt, z. B. unterhalb 0,5 %, zu verwenden, die z. B. bei der Hydrodesulfurierung von Petroleum entstehen. Außerdem sollen diese Kohlenwasserstoffe vorteilhafterweise mindestens zu 30% aus aromatischen Kohlenwasserstoffen bestehen.However, it is preferable to use only hydrocarbons with a low sulfur content, z. B. below 0.5%, to use the z. B. in the hydrodesulfurization of petroleum develop. In addition, these hydrocarbons should advantageously at least consist of 30% aromatic hydrocarbons.

Diese Kohlenwasserstoffe weisen im allgemeinen gegenüber radioaktiven Strahlen eine merklich weniger gute Stabilität auf als die der Terphenyle. Man kann in dem Moderatorströmungsmittel einen begrenzten Gehalt von Zersetzungsstoffen aufrechterhalten, indem man die in der Zeiteinheit abgezapfte Menge von Kohlenwasserstoffen als Funktion der Zersetzungsgeschwindigkeit regelt.These hydrocarbons are generally opposed to radioactive ones Radiate a noticeably less good stability than that of the terphenyls. One can maintain a limited level of decomposers in the moderator fluid, by taking the amount of hydrocarbons drawn off in the unit of time as a function regulates the rate of decomposition.

Wenn man z. B. bei einer Zersetzungsgeschwindigkeit der Kohlenwasserstoffe von 1 t pro Stunde den Wert von Zersetzungsprodukten auf 10% begrenzen will, ist der Verbrauch an neuen Kohlenwasserstoffen 10 t pro Stunde, und man zieht eine Menge heraus, die im wesentlichen gleich der der bestrahlten Kohlenwasserstoffe ist, die in der Zeiteinheit zum überhitzen des Dampfes verbrannt werden.If you z. B. at a decomposition rate of the hydrocarbons of 1 t per hour, the value of decomposition products is to be limited to 10%, the consumption of new hydrocarbons is 10 t per hour, and an amount is extracted which is essentially the same as that of the irradiated hydrocarbons, which are burned in the unit of time to overheat the steam.

Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel beschrieben.The invention is based on the drawing of an exemplary embodiment described.

In der Zeichnung ist der Kein 1 eines Reaktors dargestellt, der Brennstoffelemente 2 aus natürlichem Uran das mit Uran 235 angereichert ist, umschließt und über eineLeitung3 mit einem Wärmeaustauscher4 verbunden ist. Das Kohlenwasserstoffströmungsmittel ist z. B. ein Gasöl mit geringem Schwefelgehalt, das bei 300 bis 3 601 C bei Atin o-sphärendruck sied et und das in Richtung der Pfeile 5 und 6 mittels einer Pumpe 7 umgewälzt wird-. Das Strömungsmittei gibt seine Wärme an das Wasser ab, das unter Druck durch die Leitung 8 eintritt. Dieses Wasser wird verdampft, und der Dampf entweicht durch die Leitung 9 und durchquert den Ofen 10 für die überhitzung, aus dem er im überhitzten Zustand in die Leitung 20 gelangt. Ein gewisser Bruchteil der Kohlenwasserstoffe gelangt über das Ventil 11 in die Leitun 12, in den g Vorrats- und Entaktivierungsbehälter 13, in die Leitung 14 und wird in dem Überhitzungsofen 10 verbrannt. Ein gleiches Volumen an neuem Gasöl wird durch die Leitung 15 und das Ventil 16 zugeführt. Mittels eines Expansionsgefäßes 17 läßt sich der Druck des Kohlenwasserstoffes vergleichmäßigen, -und die gegebenenfalls vorhandenen Gase können über das Ventil 18 und die Leitung 19 entweichen.The drawing shows the no 1 of a reactor which encloses fuel elements 2 made of natural uranium enriched with uranium 235 and is connected to a heat exchanger 4 via a line 3. The hydrocarbon fluid is e.g. B. a gas oil with a low sulfur content, to 3,601 C at Atin o-spheres pressure sied et wird- and circulated in the direction of arrows 5 and 6 by a pump 7 at the 300th The flow medium gives off its heat to the water which enters through line 8 under pressure. This water is evaporated and the steam escapes through the line 9 and passes through the furnace 10 for the superheating, from which it passes into the line 20 in the superheated state. A certain fraction of hydrocarbons passes through the valve 11 into the INTR 12, in the storage and g Entaktivierungsbehälter 13, in line 14 and is burned in the superheating furnace 10 degrees. An equal volume of new gas oil is supplied through line 15 and valve 16 . The pressure of the hydrocarbon can be equalized by means of an expansion vessel 17 and any gases which may be present can escape via the valve 18 and the line 19.

Der aus der Leitung 20 austretende überhitzte Dampf gelangt an eine. Dampfturbine von gewöhnlicher Bauart, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist.The superheated steam emerging from line 20 reaches a. Steam turbine of the usual type, which is not shown in the drawing.

Das in die Leitung 8 eingeführte Wasser kann durch Berührung mit dem Reaktorkern 1 vorerhitzt sein. Der Vorratsbehälter 13 kan n* durch eine Reihe von getrennten Behältern eisetit .sein oder Zwischenwände aufweisen. Maii kann in gleicher Weise den Wärmeaustauscher 4 direkt in den Reaktor 1 setzen, wobei das Wasser z. B. in Rohren strömen kann, die iih Innern des Reaktors angeordnet sind.The water introduced into the line 8 can be preheated by contact with the reactor core 1. The storage container 13 can be made of a series of separate containers or have partitions. Maii can put the heat exchanger 4 directly into the reactor 1 in the same way, the water z. B. can flow in tubes which are arranged inside the reactor iih.

Die Verweilzeit der Kohlenwasserstoffe in dem Vorrats- und Entaktivierungsbehälter hängt von dem Gehalt an radioaktiven Stoffen und von deren Eigenschaften ab. In der Mehrzahl der Fälle liegt diese Zeit zwischen 6 Stunden und einer Woche.The residence time of the hydrocarbons in the storage and deactivation container depends on the content of radioactive substances and their properties. In the majority of cases this time is between 6 hours and a week.

Claims

Claims: 1. Heterogeneous nuclear reactor, in which liquid hydrocarbons serving as moderator and coolant at the same time, within whose mass the fuel elements are arranged, flow in a primary circuit through the interior of the reactor core and through a heat exchanger in forced circulation, through which an evaporating liquid flows on the secondary side , and in which part of the irradiated hydrocarbons is continuously withdrawn from the primary circuit and used as fuel and a corresponding amount of fresh liquid hydrocarbons is continuously supplied, d a - characterized in that hydrocarbons are used, the more per 100eV of absorbed radiation energy than 0.5 gas molecules (Gc ",> 0.5) and / or into more than 0.75 polymeric decomposition products (Gp, lym. > O # 75), and that the withdrawn hydrocarbons in a known manner in a superheater to be burned, in which they the from the Seku Overheat the steam flowing in on the other side of the heat exchanger.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the heat exchanger is arranged in the interior of the reactor core. 3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the heat exchanger (4) is arranged outside the reactor core (1) . 4. Apparatus according to claim 1, characterized in that a deactivation container (13) is arranged in the line for withdrawing the irradiated hydrocarbons, seen in the flow direction in front of the superheater. 5. The device according spoke 1, characterized in that a gas discharge line is provided on the primary circuit between the reactor outlet and the heat exchanger. Documents considered: German Auslegeschrift No. 1 044 297; British Patent No. 697,601; "Power", September 1955, pp. 75 to 81.