(12) UTLÄGGNINGSSKRIFT

SVERIGE (19) SE (12) UTLÄGGNINGSSKRIFT (51) Internationell klass*" IBK2D 7801421-4 G 21 C 3/22 PATENTVERKET (44) Ansökan utlagd och utlägg- 81-02-1 6 ningsskriften publicerad (41) Ansökan allmänt tillgänglig 79-08-08 (22) Patentansökan inkom 78-02-07 (24) Löpdag (62) Stamansökans nummer (86) Internationell ingivningsdag (86) Ingivningsdag för ansökan om europeiskt patent (30) Prioritetsuppgifter (11) Publiceringsnummer Ansökan inkommen som: SS svensk patentansökan 417 029 O fullföljd internationell patentansökan med nummer omvandlad europeisk patentansökan med nummer (71)Sökande: AB ATOMENERGI, STOCKHOLM, SE (72)Uppfinnare: K M Jirlow, Trosa C74)0mbud: A Molin (54)Benämning: Bridreaktor med flytande natrium som kylmedel innehållande en reaktorhärd i vilken är anordnat såväl fissilt material som fertilt material

1 7801421-4 Uppfinningen avser en bridreaktor med flytande natrium som kylmedel och innehållande en reaktorhärd i vilken är anordnat såväl fissilt material som fertilt material. Ur ekonomisk synpunkt är en hög tillgänglighet ett avgörande 5 krav på kärnkraftverk. För briderkraftverk med en, relativt sett, mycket hög andel kapitalkostnader leder detta bl a till en konservativ dimensionering av bränslepatronerna, vilket som regel innebär blygsamma bridprestanda. En låg bridvinst kan begränsa tillväxten i briderns rnarknads- 10 andel på medellång sikt och därmed försvaga kärnenergins potential att successivt ersätta oljan på grund av brist på uran. Briderns resursbesparande förmåga beror dock inte enbart av bridvinsten utan också, och i ännu högre grad, på investeringen av fissilt material i härden och i de yttre bränslecykelanläggningarna. 15 70-talets stora innovation inom bridreaktorteknologin är den s k heterogena härddesignen. I den konventionella härden består kärnan av två (eller i vissa fall tre) centrala koncentriska fissila zoner med skilda Pu-anrikninp;ar (12-20 %). Kärnan omges radiellt och axiellt av yttre mantelzoner av utarmat uran. I den heterogena 20 härden består vanligen kärnan av ett flertal annullära fissila zoner mellan vilka tunna zoner av fertilt material (utarmat uran)

7801*21-4 2 är placerade. Andra mer komplicerade geometrier är också aktuella t ex en uppdelning av kärnan i axiell led. Analysen av den heterogena härdkonstruktionen har klart visat att avsevärd ökning av bridvinsten kan uppnås till priset av 5 höjd anrikningsnivå i de fissila zonerna samt en liten, i bästa fall försumbar, ökning av fissilinventariet i härden. En annan fördel är en reducerad snabbneutrondos i bränslet vid samma utbränning. Ytterligare, minde väl bevisade fördelar, som brukar framhållas från fransk sida, är låg reaktivitetsändring med ut- 10 bränningen och dessutom en jämnare effektfördelning samt möjlighet att använda endast en anrikningsgrad (omkring 25 55) i de fissila zonerna. En övergång till en heterogen härd beräknas ge ungefär en fördubbling av bridvinsten, men samtidigt tyder vissa preliminära 15 härdberäkningar på en ökning av Pu-inventariet. Enligt gängse fransk uppfattning är denna ökning ringa, varför en radikal förbättring i bridprestanda kan förväntas med den heterogena härdgeometrin. En annan fördel, som utgör huvudskälet till det engelska och 20 tyska intresset för heterogena härdar, är den avsevärt lägre reaktivitetseffekten vid voidbildning i kylmediet genom kokning i natriet. Från engelskt och tyskt håll betonas särskilt den heterogena härdens lägre maximala positiva natriumvoidreaktivitet, vilken 25 innebär lägre energifrigörelser vid härdnedsmältningsolyckor. Den senare effekten orsakar en relativ förstärkning av den negativa reaktivitetsåterkopplingen i den natriumkylda bridern, vilket starkt förbättrar briderns inherenta säkerhet. Heterogeniteten i härden ger dock också en mindre (negativ) Dopplerkoeffi- 30 cient, vilken verkar i motsatt riktning. Vidare förutses en starkt ökat inkoherens i möjliga kokningsförlopp i härden, vilket skulle kunna göra wholeeore-nedsmältningar omöjliga. Den heterogena härden synes ha vissa svåra problem, bl a starka anti-shadow-effekter mellan styrstavar, och extremt känslig 35 effektfördelning med avseende på utbränning och styrstavsrörelser. Hos den "konventionella" heterogena reaktorn är det en nackdel att den har två typer av stavknippen i härden -. fissila element (fuel, assemblies) och fertila element (internal breeder elements). En annan och allvarlig nackdel är att det utgående natriets temperatur M0 är lägre och maximala kapslingstemperaturen är högre än för den traditionella homogena bridern.

3 7801421-4 Dessa nackdelar undviks med reaktorn enligt uppfinningen, i vilken endast en typ av stavknippen används. Reaktorn enligt uppfinningen är kännetecknad därav att reaktorhärden är sammansatt av bränsleelement som innehåller både fissilt och fertilt material, 5 varvid varje sådant bränsleelement innehåller en av fissilt material bestående zon som sträcker sig i huvudsak från härdens mittplan i riktning mot bränsleelementets första ände, och en av fertilt material bestående zon som sträcker sig i huvudsak från härdens mittplan i riktning mot bränsleelementets andra ände, 10 och varvid i huvudsak halva antalet bränsleelement har den fissila zonen belägen över härdens mittplan, och i huvudsak halva antalet bränsleelement har den fissila zonen belägen under härdens mittplan. Enär termerna fissilt material och fertilt material år väl- 15 kända för fackmannen skall här endast i korthet nämnas att vi med fissilt material menar ett för en snabb reaktor avsett kärnbränsle som innehåller en avsevärd mängd fissilt material, vanligen 15-30 % De klyvbara grundämnena kan utgöras av plutonium eller U 235 eller U. Med fertilt material avser vi ett material som vid 20 neutron-bestrålning i reaktorn alstrar klyvbart material. Det fertila materialet skall till övervägande del bestå av fertilt material, men kan även innehålla en liten mängd fissilt material. Med fertilt material avser vi främst naturligt eller utarmat uran, eller torium. 25 Vi har ovan redogjort för fördelar och nackdelar med den heterogena härden relativt den konventionella, homogena härden, i vilken alla fertila bränslezoner ligger utanför och omsluter de fissila. zonerna. En homogen härd innehåller vanligen två koncentriska fissila zoner med skilda anrikningar. 30 De heterogena härdar som hittills föreslagits eller studerats är "heterogena" i radiell riktning d v s de innehåller en eller flera axiella genomgående, fertila zoner som omslutes av de fisaila zonerna i radiell led. Vanligen är dessa interna fertila zoner koncentriska, cylindriska regioner. Gemensamt för dessa 35 heterogena härdar är att både de fissila och fertila core-zonerna är axiellt symmetriska med avseende på ett visst horisontellt mittplan. Den heterogena härd, vars formgivning utgör uppfinningen, har inget horisontellt symmetriplan - den saknar axiell symmetri och 40 härden utmärkes av att de fissila (och också de fertila) härdzonerna befinner sig på olika axiella nivåer.

7801421-A I härden enligt uppfinningen befinner sig de fissila zonerna ömsom helt ovanför och ömsom helt nedanför ett horisontellt plan nära härdens axiella mitt, när vi går utåt i radiell led. Härden enligt uppfinningen utmärkes av att bränsleelementen 5 (innanför höljet) är lika inbördes med undantag för att stavknippena i höljerören är i vissa element vända nedåt och i övriga vända uppåt. Härden enligt uppfinningen har (per definition) alltid en genomsnittlig volymandel fissilt bränsle på 50 % av totala core-re- 10 gionen, medan den "vanliga" heterogena härden har väsentligt större. Härden enligt uppfinningen är med andra ord mera extremt heterogen men tillåter en avsevärt högre härdhöjd för samma patronlängd och därmed i praktiken större totaleffekt vid samma härddiameter. l p > Härden enl lp;t uppfinnan^on liar- uamrna I'oi'Ue)ar relativt den homogena som den heterogena men dessa är förstärkta dvs den nya härddesignen har mycket hög bridvinst och mycket låg voideffekt. Relativt den heterogena härden har den följande tunga fördelar: a) samma bränslestavknippen används i hela härdragionen i stället för 20 två typer av stavknippen i det heterogena fallet, b) utgående natriumtemperatur blir densamma för alla härdelement vid fasta strypningar och därmed blir utgående Na-medeltemperatur 20-30 C högre än i en konventionell heterogen härd, c) vid haveriförlopp med Na-kokning voidas initialt en eller flera 25 närliggande element. I praktiken innebär detta att en voidregion av endast halva härdhöjden blir avgörnade för reaktivitetsförloppet, vilket därför ger en lägre effekttransient, d) genom att de fissila zonerna gränsar till varandra i mittplanet är kopplingen via neutrontransport klart bättre än i den hetero- 30 gena härden. Detta leder till en förbättrad stabilitet i effektfördelningen, e) en utbredd bränslenedsmältning vid totalt kylmedelsstopp och påföljande kokning kan med liten sannolikhet endast inträffa i den nedre halvan av härden Reriom att den axipllu ef'fokfcproflien är 35 asymmetrisk och lätt tilldelas ett maximivärde; i denna härddel. En därpå följande sekundär kriticitet är därfcr inte möjlig. Stora härdsmältningsolyckor med mekanisk energifrigörelse är således uteslutna, f) de två skilda axiella nivåerna av de fissila zonerna gör det möjligt att relativt enkelt utnyttja differentiell axiell termisk expansion mellan zonerna 40 för att få pronpt stor reaktivitetsminskning vid ökande temperatur, vilket väsentligt förbättrar den inherenta säkerheten.

5 7801*21-4 Uppfinningen förklaras i det följande under hänvisningen till ritningen. Pig. 1 och 2 visar schematiskt två bränsleelement enligt uppfinningen. Pig. 3 visar schematiskt ett vertikalt snitt genom en härd enligt uppfinningen. Pig, 4 visar ett snitt ge nom 5 linjen IV-IV i Fig. 2. Bränsleelementet enligt Fig. 1 har ett hölje 1 med en tvärsnittsform av en reguljär hexaeder. Höljet innehåller ett flertal längsgående stavar 2, och är öppet upptill och nedtill så att stavarna kyls av det flytande natrium som strömmar genom bränsle- 10 elementet under reaktorns drift. Stavarna i den undre delen 4 av elementet.,, från elementets mittplan 3 och nedåt, innehåller fertilt material. Stavarna i en zon 5 från mittplanet 3 till nära elementets övre ände innehåller fissilt material. Stavarna i den övre zonen 6 av elementet innehåller fertilt material. 15 Bränsleelementet enligt.pig. 2 skiljer sig från elementet enligt Fig. 1 däri att zonen 9 av fissilt material sträcker sig från mittplanet 7 nedåt till nära elementets undre ände. Den undre zonen 10 innehåller fertilt material, liksom den övre zonen 8, från mittplanet 7 till elementets övre ände. 20 Genom att kombinera ett flertal bränsleelement enligt Pig. I med ett ungefär lika stort antal bränsleelement enligt Fig. 2 kan man bilda en reaktorhärd i vilken det fissila materialet och det fertila materialet har varje önskad placering. Vi föredrar att placera så många bränsleelement av vardera slaget tillsammans, att 25 de bildar ett skikt med en tjocklek av 30-40 cm. Speciellt föredrar vi att utforma dessa skikt som ringar som sträcker sig koaxiellt i härden. Varje ring får då en tjocklek i radiell led av 30-40 cm. Hur detta kan utföras framgår av Fig. 3 och 4. I utförandet enligt Fig. 3 och 4 har bränsleelement anordnats 30 i sex ringar 12-17 som sträcker sig koaxiellt med den cylindriska reaktorhärdens centrumaxel 11. Ringarna 12, 14 och 16 innehåller bränsleelement enligt Fig. 2, d v s det fissila materialet ligger under härdens mittplan 18. Ringarna 13 oeb 15 innehåller bränsleelement enligt Fig. 1, d v s det fissila materialet ligger över 35 härdens mittplan. Med "härd" avses här den KÖn i reaktorn som innehåller det fissila och det fertila materialet. Ringen 17 innehåller endast element som består av fertilt material. Reglerstavar är på känt sätt anordnade i de kanaler med sexsidigt tvärsnitt som i Fig. 4 är betecknade 19.

7801421-4 6 P A T E N T K R A V 1. Bridreaktor med flytande natrium som kylmedel, innehållande en reaktorhärd i vilken är anordnat såväl fissilt material som fertilt material, k ä n n e t e c k n a d därav att reaktorhärden är sammansatt av bränsleelement som innehåller både fissilt och fertilt material, varvid varje sådant bränsleelement innehåller en av fissilt material bestående zon som sträcker sig i huvudsak från härdens horisontella mittplan till bränsleelementets första ände, och en av fertilt material bestående zon som sträcker sig i huvudsak från härdens horisontella mittplan till bränsleelementets andra ände, och varvid i huvudsak halva antalet bränsleelement har den fissila zonen belägen över härdens mittplan, och i huvudsak halva antalet bränselelement har den fissila zonen belägen under härdens mittplan. 2. Bridreaktor enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav att en av fertilt material bestående zon är anordnad även vid bränsleelementets första ände. ANFÖRDA PUBLIKATIONER:

165 7801421-4 Ht f/v ^ T" 3 -H T 7 -< IO 11 13 ty iui'^i