DE1241005B - Anlage zum Regeln der Reaktivitaet eines Kernreaktors - Google Patents

Description

DEUTSCHES #f# PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheK].: 21g-21/31

Nummer: 1241005

Aktenzeichen: S 83715 VIII c/21 g

j[ 24 1 005 Anmeldetag: 12.Februar 1963

Auslegetag: 24. Mai 1967

Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Regeln der Reaktivität eines Kernreaktors, bei der die Konzentration einer neutronenabsorbierenden Substanz im Primärkreislauf verändert wird. Die Regelung der Reaktivität soll durch Ändern der Zusammensetzung des Moderators bewirkt werden.

Die Anlage findet Verwendung bei Leistungskernreaktoren, bei denen die Regelung durch Änderung der Zusammensetzung eines aus mindestens zwei Komponenten bestehenden flüssigen Moderators bewirkt wird.

Es ist bekannt, zur Regelung der Reaktivität statt der Ausgleichs- bzw. Regelstäbe neutronenabsorbierende Materialien zu verwenden, die in einer den Kern durchlaufenden Flüssigkeit gelöst sind und deren Konzentration verändert wird (vgl. die deutschen Auslegeschriften 1 054186, 1 042145, 1 069 303).

Bei den Reaktoren mit Regelung der Reaktivität durch Ausgleich- bzw. Regelstäbe ist die Kompensation der Vergiftungserscheinungen durch Xe-135 ein Problem, das auf mannigfache Weise, z. B. durch Hinzuführen zusätzlichen Spaltmaterials (deutsche Auslegeschrift 1121 239) oder auch durch Herausnehmen der Ausgleichstäbe gelöst wird (Buch von Ludwig Merz, »Regelung und Instrumentierung von Kernreaktoren«, Bd. 1, 1961, München, S. 242 und 243, sowie S. 327 bis 330).

Bei den Reaktoren, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, bedeutet die Vergiftung durch Xe-135 jedoch ein ganz besonderes Problem. Denn bei solchen Reaktoren, bei denen die Regelung also nicht durch Regelstäbe, sondern durch Änderungen der Moderatorzusammensetzung bewirkt wird, zeigt es sich, daß es für die Auslegung der Anlage zur Änderung der Moderatorzusammensetzung von großer Bedeutung ist, daß der Einfluß der Änderung der Xenonkonzentration ausgeschaltet wird. In der Tat wäre es außerordentlich nachteilig, die Einflüsse auf die Reaktivität, die durch Anwachsen und Abnahme der Xe-135-Konzentration bewirkt werden, durch Ändern der Zusammensetzung des Moderators zu kompensieren. Denn dies würde bedeuten, daß die verschiedenen Komponenten des Moderators jeweils eingeführt oder abgezogen werden müßten, wozu dann ein bedeutender Vorrat an diesen Komponenten, deren Kosten im allgemeinen sehr hoch sind, oder auch eine kostspielige und sperrige Einrichtung zur Trennung dieser Komponenten notwendig wäre.

Zweck der Erfindung ist es nun, bei den beschriebenen Reaktoren die genannten Nachteile auszuschalten.

Anlage zum Regeln der Reaktivität eines
Kernreaktors

Anmelder:

Socieie anglo-belge Vulcain societe anonyme,
Brüssel

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Busselmeier, Patentanwalt,
Augsburg, Rehlingenstr. 8

¹S Als Erfinder benannt:

Pierre Maldague, Brüssel;

Francois Albert de Waegh, St. Georges (Belgien)

Beanspruchte Priorität:

Luxemburg vom 13. Februar 1962 (41251)

as Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Einfluß der Änderung der Xenonkonzentration auszuschalten, ohne daß größere Flußverzerrungen auftreten. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in einem Kernreaktor, in dem die Regelung durch Änderung der Zusammensetzung eines aus mindestens zwei Komponenten bestehenden flüssigen Moderators bewirkt wird, die Konzentration der neutronenabsorbierenden Substanz stets so hoch ist, daß die Summe aus der Xe-135-Reaktivität und der Reaktivität der neutronenabsorbierenden Substanz im Primärkreislauf gleich ist der Reaktivität des Xe-135 im Gleichgewichtszustand bei Vollast.

Im einzelnen wird die Anlage wie folgt ausgeführt: Das Zuführen der absorbierenden Substanz in die Primärflüssigkeit kann durch das Einbringen in Lösung oder durch Suspension bewirkt werden. Das gilt auch für das Abführen der absorbierenden Substanz, was insbesondere erzielt werden kann durch Kondensation und/oder durch Zentrifugieren und/ oder durch Destillieren und/oder durch Demineralisieren und/oder durch Filtrieren.

Ist die Entnahmevorrichtung so ausgebildet, daß die Ausströmmenge konstant ist, so wird sich die Konzentration der absorbierenden Substanzen in der Primärflüssigkeit entsprechend einem Exponentialgesetz vermindern, wodurch dann eine mühelose Kompensation des exponentiell verlaufenden Anstiegs

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der Konzentration des Xe-135 möglich ist, wenn der Reaktor gestartet wird oder wenn die Leistung des Reaktors erhöht wird.

Zur Verdeutlichung der Erfindung dienen zwei Zeichnungen. Es zeigt

F i g. 1 ein Diagramm zur Erläuterung des Erfindungsgedankens,

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel der Anlage.

In F i g. 1 ist auf der Abszisse a die Zeit aufgetragen, während auf der Ordinate die Reaktivität des Xe-135, der absorbierenden Substanz und der Summe dieser beiden aufgetragen ist.

Wenn der Reaktor zur Zeit Null gestartet wird, so gibt die Kurve 21 den beispielsweisen Verlauf der durch das abnehmende Xe-135 bewirkten Reaktivitätsänderung wieder.

Wenn man nun eine Entnahme der neutronenabsorbierenden Substanz vorsieht, so wird man deren Wert so wählen, daß die Menge der im Primärkreislauf enthaltenen absorbierenden Substanzen sich derart vermindert, daß die Summe der beiden Teilreaktivitäten bzw. der Gesamteffekt der Vergiftung durch Xe-135 und der absorbierenden Substanzen im wesentlichen konstant bleibt.

Die Kurve 22 der F i g. 1 zeigt einen solchen Reaktivitätsverlauf, und die Kurve 23 gibt den Gesamteffekt auf die Reaktivität aus anwachsendem Xe-135 und sich vermindernder absorbierender Substanz wieder.

Der Zeitpunkt Null kann auch gleich sein dem Augenblick, wo der bereits arbeitende Reaktor auf höhere Leistung gebracht wird.

Bei konstanter Entnahme (z. B. konstanter Durchströmungsmenge des Nebenschlusses) arbeitet das zum Entziehen der absorbierenden Substanzen vorgeschlagene System völlig automatisch und benötigt keine elektronischen oder andere Regelvorrichtungen.

Als Vorteile der Anlage seien die folgenden Gesichtspunkte aufgeführt: Trotz der Änderungen der Xe-135-Konzentration treten im Inneren des Kerns nur praktisch vernachlässigbare Änderungen der Leistungsverteilung auf.

Das Entnahme- bzw. Entziehungssystem kann völlig selbstregelnd sein, und auf eine kostspielige und großen Raum einnehmende Regelvorrichtung kann verzichtet werden.

Insbesondere wird jedoch der durch den Moderator beeinflußte Regelbereich zur Regelung des Abbrandes, des Dopplereffekts, der Temperatureffekte usw. nicht noch zusätzlich belastet durch die Notwendigkeit, den Xenoneffekt zu kompensieren.

Endlich haben ganz besonders die Reaktoren mit spektraler Verschiebung, bei denen also die Änderungen der Xenonvergiftung durch eine Erhöhung des Gehalts entweder des schweren Wassers oder des leichten Wassers in der Primärflüssigkeit kompensiert werden, den Nachteil, daß es hier notwendig ist, daß man entweder sehr beträchtliche Reserven an schwerem Wasser vorsehen muß oder daß man eine Einrichtung oder Anlage zur Rekonzentrierung von schwerem Wasser anzuordnen hat, was teuer und raumfressend ist. Auch dies entfällt durch Verwendung der vorliegenden Anlage.

Zur beispielhaften Erläuterung sei die Anlage nachfolgend bei einem Reaktor beschrieben, der mit Druckwasser und spektraler Verschiebung arbeitet.

Die wesentlichen Merkmale eines solchen Reaktors sind: Der Moderator wird moderiert, gekühlt und ge-

gebenenfalls reflektiert durch eine Mischung von schwerem und leichtem Wasser (Primärflüssigkeit).

Die spektrale Verschiebung wird teilweise oder zur Gänze erzielt durch diskontinuierliche Änderung des Gehalts an leichtem Wasser in der Primärflüssigkeit.

Der Kernbrenstoff wird gebildet durch Pastillen aus Uranoxyd, die leicht mit Uran 235 angereichert sind und in Röhrchen aus nichtrostendem Stahl eingebettet sind.

Die mit dem Dopplereffekt verbundenen Reaktivitätsänderungen werden hier kompensiert durch die Änderungen der mittleren Temperaturen der Primärflüssigkeit. Die mit den Änderungen der Konzentration des Xe-135 verknüpften Reaktivitätsänderungen werden kompensiert durch Änderungen der Konzentration einer oder mehrerer in die Primärflüssigkeit eingeführter absorbierender Substanzen. Die mit dem Verbrauch an spaltbaren Stoffen und mit der Ansammlung der Spaltprodukte verbundene Reaktivitätsänderung wird kompensiert durch die Erhöhung des Gehalts an leichtem Wasser in der Primärflüssigkeit.

Ein Prinzipschema der Vorrichtung zur Kompensation der Xenon-Vergiftung gemäß der Erfindung ist in der Zeichnung in F i g. 2 gezeigt. Hierin bedeutet Bezugszeichen 1 einen regenerativen Wärmeaustauscher, dessen warmer bzw. heißer ZweigAB von der aus dem Primärkreislauf abgeleiteten Primärflüssigkeit durchlaufen wird; Bezugszeichen 2 einen Verdampfer, der auf der Primärseite durch das von dem heißen Teil des regenerativen Wärmetauschers 1 kommende Wasser und auf der Sekundärseite von dem Wasser, das in einem Behälter 4 enthalten ist, gespeist wird. Bezugszeichen 3 bezeichnet zwei Entspannungsschieber (Druckreduzierventile), welche regelbar sein können, durch welche ein Teil des Wassers durchtritt, welches beim Punkt C hinter dem Ausgang des Verdampfers abgeleitet ist. Bezugszeichen 4 bezeichnet einen Behälter, in welchem bei E das in den Reduzierventilen 3 entspannte Wasser eingeführt wird und in welchem dieses Wasser infolge der Wärmezufuhr im bzw. zu dem Verdampfer 2 verdampft wird. Ein System 5 dient der Reinigung der Borsäure und für die Aufnahme der Schmutzoder Schlammablagerungen, die sich am Boden des Behälters 4 ansammeln bzw. absetzen. Eine Verbindungsöffnung ist zwischen den oberen Teilen der Behälter 4 und 7 vorgesehen. Der Wasserdampf, der im Behälter 4 erzeugt wird, tritt durch die öffnung 6 in den Behälter 7 über, wo er in dem Kondensator

18 kondensiert wird, der auf seiner Sekundärseite von dem Kühlwasser 14 durchströmt wird. Das kondensierte Wasser wird alsdann in dem Wärmetauscher

19 gekühlt, und zwar bis zu einer Temperatur, die so ist, daß es direkt in den DemineraIisator eingeführt werden kann. Bezugszeichen 8 bezeichnet einen Behälter, der Borsäurekristalle enthält, die eingetaucht sind in eine Mischung schweren und leichten Wassers, die mit Borsäure gesättigt ist. Die Füllung dieses Behälters 8 wird auf der stromauf gelegenen Seite von dem Ventil 10 und auf der stromab gelegenen Seite von dem Ventil 11 gesteuert. Der Demineralisator 9 wird auf der stromauf gelegenen Seite durch das Ventil 12 und auf der stromab gelegenen Seite von dem Ventil 13 gesteuert. Ein Ventil 15 liegt zwischen den Punkten G und M des Kreislaufs. Eine Pumpe 16 führt die Flüssigkeit des Niederdruckkreislaufs in den Hochdruckprimärkreislauf zurück. Ein Reduzier-

ventil 17 mit variablem Durchfluß liegt zwischen den Punkten K und /, also im Zweig HKJ. Ein Kondensator 18 ist im oberen Teil des Behälters 7 angeordnet. Ein Wärmeaustauscher 19 ist im unteren Teil des Behälters 7 angeordnet.

Beim ersten Leistungsstart des Reaktors wird der Vergiftungseffekt des Xe-135 kompensiert durch eine Erhöhung des Gehalts von leichtem Wasser in der Primärflüssigkeit; man stellt die Zuführung oder Einspritzung von leichtem Wasser ab, sobald die Gleichgewichtskonzentration an Xe-135 bei voller Leistung des Reaktors erreicht ist. Im Fall eines Stillsetzens des Reaktors für eine genügend lange Zeit, so daß die Xenon-Vergiftung teilweise oder ganz verschwunden ist, führt man Bor in Lösung in den Primärkreislauf ein, und zwar in der Form von Borsäure. Der Anteil oder Gehalt an eingeführtem Bor wird so sein, daß der gesamte Vergiftungseffekt des Xe-135 und des Bors praktisch konstant bleibt, und zwar gleich dem des Xe-135 in Gleichgewichtskonzentration bei voller Leistung. Man führt das Bor zu, indem man einen Teil der Primärflüssigkeit durch den Behälter 8 hindurchleitet, der die Borkristalle enthält, die in einer Mischung von schwerem und leichtem Wasser eingetaucht sind, welche mit Borsäure gesättigt ist. Die Einführung von Bor in die Primärflüssigkeit ist notwendig, um ein Wiederanlaufen des Reaktors zu gestatten, ohne daß man auf Regelstäbe angewiesen wäre. Dieses Einführen vollzieht sich in kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Weise, so daß der Vergiftungseffekt aus Bor und Xe-135 praktisch demjenigen des Xe-135 bei Gleichgewichtskonzentration bei voller Leistung entspricht. Die Eintrittsund Austrittstemperaturen der Primärflüssigkeit im Kern werden sich dann automatisch auf ihre Betriebswerte einstellen, ohne durch die Änderung der Konzentration an Xe-135 gestört zu werden. Bei einem Wiederanlaufen des Reaktors schließt man die Ventile 10 und 11; die Ventile 12 und 13 und/oder das Ventil 15 sind bzw. bleiben offen. Das vom Primärtrimkreis kommende abgeleitete Wasser geht durch den regenerativen Wärmeaustauscher 1 hindurch, dann durch den Verdampfer 2, wobei es die Wärme liefert, die notwendig ist zum Verdampfen des in den Entspannungsventilen 3 entspannten druckreduzierten Wassers. Durch Destillation des Wassers im Behälter 4 trennt man das Bor vom Wasserdampf, und zwar in der Form von Borsäure. Diese Destillation erlaubt auch, das verdampfte Wasser im wesentlichen total zu reinigen. Die festen Verunreinigungen, welche es in Lösung und/oder Suspension enthält, können periodisch mit dem Ablauf 5 entfernt werden. Der Wasserdampf geht in den Behälter, wo er kondensiert wird. Das erforderliche Entziehen von Wärme wird bewirkt durch den Kondensator 18, der sekundärseitig von Kühlwasser gespeist wird. Das kondensierte Primärwasser wird rückgekühlt im Wärmeaustauscher 19, und es wird dann bei F von der Umlaufpumpe 16 aufgenommen, wobei es gegebenenfalls durch den Demineralisator 9 läuft. Es wird alsdann wiederum in den Primärstromkreis zurückgeführt.

Im Fall von Änderungen der Leistung, die eine merkliche Änderung der Konzentration von Xe-135 nach sich ziehen, arbeitet die Anlage ähnlich, wie für den Fall des Stillsetzens oder des Wiederingangsetzens des Reaktors beschrieben wurde. Bei einer Verminderung der Leistung unter den Betriebswert führt

man Bor entsprechend dem weiter oben angegebenen Prinzip zu, und zwar in der Art, daß der globale Vergiftungseffekt Xe-135+Bor praktisch konstant gehalten wird.

Das Öffnen und Schließen der Ventile 10 und 11 für das Einführen des Bors kann automatisch gesteuert sein, beispielsweise in Abhängigkeit von einem Wärmefühler (thermoelektrisches Element), der die Temperatur des Hauptkühlmittels beim Ausgang aus dem Kern mißt, wobei eine Erhöhung oder eine Verringerung dieser Temperatur entsprechend das Öffnen oder das Schließen der Ventile verursacht. Um ein zu rasches Einführen von Bor im Fall rasch vorübergehender Änderungen zu vermeiden, kann man gegebenenfalls eine genügend große Verzögerung (20 bis 30 Minuten) in die Steuerung der Ventile durch den Wärmefühler vorsehen. Bei bzw. nach einer Erhöhung der Leistung wird das Bor automatisch in der vorgängig angegebenen Art entzogen.

Wenn das gesamte Bor aus dem Primärkreislauf entfernt ist, dann kann man in unveränderter Weise das System, wie oben beschrieben, arbeiten lassen, oder man kann das Reduzierventil 3, das in dem ZweigHE liegt, schließen und das funktionierende Ventil 17 mit variablem Durchgang öffnen, das bei G direkt die abgeleitete Flüssigkeit dem Primärstromkreis zuführt.

Bei dem beschriebenen Beispiel sind die hauptsächlich erzielten Vorteile durch die Kompensation des Xenoneffektes durch das Bor die folgenden:

Man vermeidet die bei Verwendung von Ausgleichsstäben bewirkte Verschlechterung oder Störung der Leistungsverteilung und die Verwendung eines teuren und platzfressenden elektronischen Geräts. Die bei Kompensation des Xenoneffektes durch Änderung der Temperatur der Primärflüssigkeit eintretende wesentliche Erniedrigung der Temperatur des Kühlmittels (von 20 bis 50° C) und so die Verminderung des thermodynamischen Wirkungsgrades des Reaktors bei Volleistungsbetrieb des Reaktors wird vermieden. Man kann ein völlig automatisches System der Kompensation des Xenoneffektes verwirklichen, also bei oder nach dem Anlaufen, nach oder bei Ansteigen bzw. Absinken der Reaktorleistung. Man entfernt durch Destillation einen beträchtlichen Teil der Unreinigkeiten der Primärflüssigkeit, was wiederum gestattet, sehr wesentlich und erheblich die Abmessungen des Demineralisators und die Häufigkeit des Ersetzens der Harze zu vermindern.

Als Ausführungsbeispiel werden jetzt die verschiedenen Zahlen und sonstigen Daten bei der Anwendung der Anlage in dem schon weiter oben beschriebenen Reaktor angegeben, wobei dieser im übrigen die hier angegebenen Nenncharakteristiken besitzt.
Das Verhältnis der im Inneren des Kerns vorhandenen ausgefüllten Volumina, nämlich einerseits des vom gesamten Moderator (Mischung »schweres und leichtes Wasser«) ausgefüllten Volumens und andererseits des vom Brennstoff (UO₂) ausgefüllten Volumens, hat einen Wert, der im wesentlichen gleich 4 ist. Der Druck im Primärkeis ist 120 kg/cm². Die thermische Leistung des Reaktors ist 65 000 kW. Das Wasservolumen des gesamten Primärstromkreises ist 35001. Die Mitteltemperatur der Primärflüssigkeit im Betrieb ist 300° C. Der Druck in dem Verdampfungsbehälter 4 und dem Kondensationsbehälter 7 ist 3,5 kg/cm², was einer Sättigungstemperatur

Claims (3)

von im wesentlichen 140° C entspricht. Die spezifische Leistung ist 52 kW pro Kilogramm Uranium, enthalten in der Form UO2. Die Umhüllung der Brennstoffelemente besteht aus nicht oxydierbarem Stahl, und das Uran enthält 7°/o Uran 235. In diesem Reaktor genügt ein Anteil oder Gehalt an Bor von 65 ppm (entspricht 400 ppm Borsäure) in der Primärflüssigkeit im Inneren des Kerns, um eine Vergiftung zu bewirken, die derjenigen gleichwertig ist, weiche beim Betrieb unter voller Leistung durch das Xe-135 hervorgerufen wird. Dieser Gehalt oder Anteil an Bor, der relativ schwach ist, ist bedingt durch den relativ hohen Wert des Verhältnisses von Wasser zu UO2 im Inneren des Kerns. Der durch den heißen Zweig des regenerativen Wärmeaustauschers abgeleitete Flüssigkeitsstrom beträgt 2850 kg/Std. Der konstante Strom, der durch die Entspannungsventile 3 geht, beträgt 210 kg/Std. Das Absinken der Temperatur im heißen Zweig des regenerativen Wärmeaustauschers beträgt 70° C (nämlich von 300 auf 230° C). Im Verdampfer 2 ist das Temperaturgefälle 30° C. Im kalten Teil des regenerativen Wärmeaustauschers wird die Temperatur der Primärflüssigkeit um 80° C erhöht. Der Wasserdurchgang durch das Rückkühlsystem des Kondensators 18 beträgt 2100 kg/Std. Die Temperatur des Kühlmittels bei Eintritt in die Leitung 14 beträgt 20° C, seine Austrittstemperatur ist 70° C. Der Wasserdurchgang im bzw. durch den gekühlten Zweig oder Teil des Wärmeaustauschers 19 ist 700 kg/Std. Die Temperatür des Kondensators im Behälter 6 ist 50° C am Punkt F. Die thermische Leistung, die durch den Verdampfer 2 verbraucht wird, ist 120 kW, also ungefähr 0,2 °/o der gesamten thermischen Leistung des Reaktors. Patentansprüche:

1. Anlage zum Regeln der Reaktivität eines Kernreaktors, bei der die Konzentration einer neutronenabsorbierenden Substanz im Primärkreislauf verändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Kernreaktor, in dem die Regelung durch Änderung der Zusammensetzung eines aus mindestens zwei Komponenten bestehenden flüssigen Moderators bewirkt wird, die Konzentration der neutronenabsorbierenden Substanz stets so hoch ist, daß die Summe aus der Xe-135-Reaktivität und der Reaktivität der neutronenabsorbierenden Substanz im Primärkreislauf gleich ist der Reaktivität des Xe-135 im Gleichgewichtszustand bei Vollast.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Entfernen der neutronenabsorbierenden Substanzen durch Destillieren durchgeführt wird.

3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einführen der neutronenabsorbierenden Substanzen dadurch bewirkt wird, daß ein Teil des Primärmittels einen die neutronenabsorbierenden Substanzen enthaltenen Behälter durchströmt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1042145,
1054186, 1069 303, 1121239;

Riezler—Walcher, Kerntechnik, 1958, Stuttgart, S. 687;

L. Merz, Regelung und Instrumentierung von Kernreaktoren, Bd. 1, 1961, München, S. 242, 243, bis 330.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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