CH403097A - Gasgekühlter Kernreaktor - Google Patents

Description

  Gasgekühlter Kernreaktor    Die vorliegende Erfindung betrifft einen gasge  kühlten,     graphitmoderierten,    vorzugsweise bei hoher  Temperatur arbeitenden Kernreaktor und bezweckt  die Verminderung der katalytischen Wirkung gewisser  Spaltprodukte, die eine korrodierende Reaktion zwi  schen Graphit oder Karbiden von Elementen und  Verunreinigungen im Kühlgas hervorrufen.  



  Eine bekannte mögliche Lösung der Probleme bei  der Entwicklung von Brennstoffen für     Hochtempe-          raturreaktoren    führt zur Entwicklung von Kernbrenn  stoffen, die in einem     Graphitbehältnis    eingeschlossen  sind, dessen Zweck darin besteht, die nach aussen  gerichtete Diffusion von Spaltprodukten vom Brenn  stoff zu hemmen. Eine andere Lösung führt zur  Erzeugung von     Kernbrennstoffteilchen,    die mit einer  Schicht überzogen sind, die Spaltprodukte auffängt  und zurückbehält, wobei eine Anzahl solcher mit einer  Auffangschicht überzogener Teilchen einen Brenn  stoffkörper bilden.  



  In beiden Fällen bleibt die Gefahr bestehen, dass  gewisse Spaltprodukte in den Graphit eindringen,  und zwar im ersten Falle durch normale Diffusion  und im zweiten infolge     Schadhaftigwerden    des über  zuges.  



  Die korrodierende Wirkung gewisser Verunreini  gungen im Kühlgas, wie z. B. von CO, und Wasser  dampf, selbst in so geringer Konzentration wie 1       v.p.m.,    kann zu einer ernstlichen Beschädigung der       Graphitkernbestandteile    führen, wenn der Reaktor bei  hoher Temperatur, z. B. bei 1200 , über eine Zeit  spanne von 1-3 Jahren betrieben wird. Es hat sich  erwiesen, das gewisse Spaltprodukte, besonders Ba  rium und     Strontium,    die Wirkung haben, die chemi  sche Reaktionsfähigkeit des Graphits gegenüber den    oben genannten Verunreinigungen stark zu     vergrös-          sern.    Z.

   B. hat es sich gezeigt, dass die Gegenwart  von nur 0,05     Gewichts-O/,    einer     Bariumverbindung     im Graphit die Reaktionsgeschwindigkeit um einen  Faktor von ungefähr<B>1000</B> vergrössert.  



  Da es im     wesentlichen    unausführbar oder schwer  ausführbar ist, die Konzentration der Verunreinigun  gen in einem gewissen Volumen     inerten    Kühlgases  konstant so niedrig zu halten, dass Korrosion mög  lichst vermieden wird, kann vorausgesagt werden, dass  Kern- oder Brennstoffkomponenten, die der Gefahr  einer solchen Korrosion ausgesetzt sind, im Falle  der Anwesenheit solcher Produkte unter den auf  tretenden Betriebsbedingungen ihrer Aufgabe nicht  gerecht werden können.  



  Der gasgekühlte Kernreaktor gemäss der vor  liegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass  die     Graphitkomponente,    die eine Brennstoffträger  komponente oder eine den Brennstoff enthaltende  Komponente sein kann, ein hemmendes Agens ent  hält, das     befähigt    ist, der katalytischen Wirkung ent  gegenzutreten, welche die im Betrieb entstehenden       Spaltproduke    ausüben und die .sich in einer Korro  sion der Komponente, z. B. durch Reaktionen zwi  schen der Komponente und den Verunreinigungen  des Kühlgases, äussert.  



  Während z. B. die Verbindungen von Barium und       Strontium,    die beide bei Kernspaltung entstehen, eine  starke katalytische Wirkung ausüben, die dazu neigt,  eine korrodierende Reaktion zwischen Graphit oder  Karbiden und     Kühlgasverunreinigungen,    d. h.     C02     und Wasserdampf, auszulösen, wirkt eine Beimengung  zum Graphit einer geringen Menge gewisser     Stub-          stanzen,    wie der Oxyde von Silicium,     Zirkon,    Alu-           minium    oder Beryllium, einer solchen Tendenz ent  gegen.  



  Die Erfindung kann also u. a. bei einem gas  gekühlten bei hoher Temperatur betriebenen Reaktor  Anwendung finden, dessen     Kühlgashauptkreislauf     Helium oder ein anderes     inertes    Gas enthält, das den  Reaktorkern durchströmt, der sich in einem     Druck-          gefäss    befindet, und dann zu einer     Heissgasverwer-          tungsanlage    ausserhalb des Druckgefässes fliesst. Der  Reaktorkern kann     Kernbrennstoffmaterie    enthalten,  die in Graphit fein verteilt oder in     Graphitbehältern     eingeschlossen ist.

   Beispielsweise lässt eine dauernd  in Betrieb stehende Zapfstelle das Kühlgas aus dem  Rohrsystem ausserhalb des Druckgefässes zu einer  Reinigungsanlage strömen, wo der angezapfte Teil  des Kühlgases einer Reinigung unterworfen wird, um  dann zurück in den     Hauptkühlgaskreislauf    zu strömen.  



  Zum besseren Verständnis der Erfindung wird  nachstehend ein Beispiel eines mit     inertem    Gas ge  kühlten,     graphitmoderierten    Kernreaktors unter Be  zugnahme auf die zugehörige schematische Zeichnung  erläutert.    Der Reaktor weist einen inneren Kern 1 auf, der  in einem Druckgefäss 2 aus Stahl oder vorgespanntem  Eisenbeton eingeschlossen ist. Der Kern ist hier nur  schematisch dargestellt und ist auf der Grundlage  eines die Spaltprodukte zurückhaltenden Kernbrenn  stoffes aufgebaut.

   Das will heissen, dass der Kern 1  eine heterogene oder homogene Struktur aufweist,  welche die Brennstoffkomponenten enthält, die in der  gegenwärtig bekannten Form Teilchen von Karbiden  von     Kernbrennstoffmetallen    enthält oder einschliesst,  welche mit einer die Spaltprodukte zurückhaltenden  Schicht, z. B. Graphit überzogen sind. Solche Brenn  stoffteilchen sind in     Kohlenstoffmatrizen    fein verteilt,  die zylindrisch geformt sind. Durch den Kern ziehen  sich Kanäle 3, in welchen das Heliumgas hindurch  strömt. Das Gas tritt in das Druckgefäss durch die  Eintrittsöffnung 4 in der Wandung des     Druck-          gefässes    oberhalb des Kerns, und es verlässt das  Gefäss durch eine Austrittsöffnung in dessen unterem  Teil.

   Das Gas wird durch den äusseren Umlauf 5,  durch den primären     Wärmeaustauscher    6, der eine       Wärmeausnützungsanlage    darstellt, von einer Vor  pumpe gepumpt, und es kehrt wieder in das Innere  des Druckgefässes 2 zurück. Wenn der wesentlich  reine Zustand des heissen Gases nicht aufrecht er  halten werden kann, wird der Graphit, der die Struk  tur des Kerns bildet - und vielleicht auch derjenige,  der die Karbide der     Kernbrennstoffmetalle    enthält   der Korrosion wie oben beschrieben ausgesetzt.

   Um  diese Gefahr zu vermindern, kann ein Teil des vom       Wärmeaustauscher    strömenden Gases durch eine Reini  gungsanlage 8 durch geeignetes Einstellen des Ventils  9 geleitet und von dort mit     Hilfe    der Pumpe 10 in  das Druckgefäss zurückgeführt werden.  



  Welche Vorsichtsmassnahmen aber auch immer  getroffen werden mögen, um das Kühlgas rein zu  halten, ist es unwahrscheinlich, dass in einem Kraft-         reaktor    die Konzentration der Verunreinigungen, d. h.  von CO, und des Wasserdampfes, auf einem be  friedigend niedrigen Stand, z. B. 1     v.p.m.    gehalten  werden kann. Es hat sich gezeigt, dass gewisse beim  Betrieb vom Kernbrennstoff gebildete Spaltprodukte  die Wirkung von Katalysatoren ausüben und die  Korrosion von Graphit, besonders in Gegenwart  verunreinigten Heliums, bewirken.  



  So vermögen CO., oder Wasserdampf im Kühlgas,  selbst in geringer Konzentration, mit dem Graphit  material im Bereich hoher Temperatur des Kerns in  Reaktion zu treten, und die     Geschwindigkeit    dieser  Reaktion wird um den     Faktor-1000    vergrössert, sobald  Katalysatoren, wie z. B. Barium und     Strontium,    als  Spaltprodukte entstehen. Um dieser Neigung entge  genzuwirken, werden kleine Mengen von Oxyden  korrosionshemmender Körper, wie Silizium,     Zirkon     oder Aluminium, dem Gebiet der     Graphitkomponen-          ten    das in der Zeichnung schraffiert und mit dem  Buchstaben Z bezeichnet ist, zugegeben.

   Auch  Süsserde     (Berylliumoxyd)    kann als hemmendes Agens  beigegeben werden.  



  Was die Form des in Beispiel 1 angegebenen Kern  anbelangt, so ist es am vorteilhaftesten, wenn er von  einer Mehrzahl Säulen aus     Graphitmaterial    besteht,  wobei die     Graphitkomponenten    Teilchen von Kern  brennstoffcarbiden fein verteilt enthalten und die letz  teren einzeln mit einer Spaltprodukte auffangenden  und zurückhaltenden Schicht überzogen sind, die z. B.  aus     Pyrolytkohlenstoff    besteht. Eine Mehrzahl solcher  nebeneinander achsparallel aufgestellter und einzeln  mit einem Kühlkanal versehener Säulen bilden dann  den Kern.

   Bei ihrer Herstellung, die am besten nach  konventionellen Verfahren erfolgt, wird die Zusam  mensetzung jenes Teils einer jeden Säule, die inner  halb der Zone Z zu liegen kommt, insofern verändert,  als ein korrosionshemmendes Agens dem Graphit ein  verleibt wird, um die angreifende Wirkung des durch  die Gegenwart (dank der Diffusion vom Brennstoff)  der edlen Metall Barium und     Strontium    chemisch  höchst reaktionsfähig gemachten und durch selbst  geringe Konzentration der Verunreinigungen im Kühl  gas der Gefahr einer Korrosion unterworfenen Gra  phits zu hemmen. Andererseits kann auch die ganze       h,Zasse    des     Graphitmaterials    im Kern hemmende       Agentien    enthalten.  



  Ein weiteres Beispiel eines Reaktorkerns, bei wel  chem die vorliegende Erfindung Anwendung finden  kann, ist im ersten und zweiten Jahresbericht der  Organisation     Europeenne    de     Cooperation        Economi-          que        (OECE)    über das Projekt (DRAGON) eines gas  gekühlten     Hochtemperaturreaktors    enthalten.  



  Obwohl in der vorstehenden Beschreibung nur  Oxyde von Silizium und anderen Substanzen als  hemmende Agenzien erwähnt sind, ist es auch mög  lich, der     Graphitkomponente    zu ihrem Schutz gegen  Korrosion andere Materialien beizufügen, die auf  der Basis von Silizium gewonnen sind, einschliesslich  Silizium selbst.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Gasgekühlter, graphitmoderierter Kernreaktor, des sen das Spaltmaterial enthaltender Kern eine Graphit komponente aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente ein hemmendes Agens enthält, das befähigt ist, der katalytischen Wirkung entgegenzu treten, welche die im Betrieb entstehenden Spaltpro dukte ausüben und die sich in einer Korrosion der Komponente äussert. UNTERANSPRÜCHE 1. Kernreaktor nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass das hemmende Agens ein Oxyd des Siliziums, des Zirkons oder Aluminiums ist, das die Fähigkeit aufweist, der Wirkung der Spaltprodukte Barium und Strontium entgegenzutreten. 2. Kernreaktor nach Unteranspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass das hemmende Agens Beryllium oxyd ist. 3.

   Kernreaktor nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die das hemmende Agens ent haltende Komponente Teilchen von Kernbrennstoff metallcarbiden enthält, die mit einer die Spaltpro dukte auffangenden und zurückhaltenden Schicht überzogen sind. 4. Kernreaktor nach Patentanspruch, gekennzeich net durch ein Druckgefäss, einen Kern aus Graphit komponenten, die Kernbrennstoff innerhalb des er wähnten Gefässes tragen, den Kern durchdringende Kanäle für ein gasförmiges Kühlmittel, einen ausser- halb des erwähnten Druckgefässes befindlichen Kühl gaskreislauf, einschliesslich einer Pumpe, eines Wär- meaustauschers und einer Gasreinigungsanlage,

   wo bei die Graphitkomponenten das hemmende Agens enthalten. 5. Kernreaktor nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitkomponenten von Kühlkanälen für ein inertes Kühlgas durchzogen sind, welche Kanäle mit einem ausserhalb des Kerns an geordneten Kreislauf verbunden sind, der eine Wär- meverwertungsanlage enthält, durch welche das Gas hindurchfliesst, und dass ein hemmendes Agens in jenen Teilen der Komponenten fein verteilt ist, welche der Gefahr der Korrosion durch zuströmendes Kühl gas unterworfen sind.