Kühlung durch flüssiges Blei
Im DFR wird Blei (nicht das Eutektikum Blei-Wismut) als Kühlmittel verwendet. Es ist etwas korrosiver als Natrium aber weniger agressiv als das Eutektikum. Durch die hohen Arbeitstemperaturen des DFR von etwa 1000°C müssen aber Refraktärmetalle (etwa Molybdänbasislegierungen) bzw. Keramiken oder, z.B. mit Siliziumkarbid beschichtete, warmfeste und nickelfreie Legierungen verwendet werden. Blei reagiert auch bei diesen Temperaturen wesentlich geringer mit Wasser als z.B. Natrium, sodass auch konventionelle Wärmetauscher, die aber wegen der hohen Temperaturen wasserseitig beschichtet sein müssen, eingesetzt werden können.
Eigenschaften des Bleis bei 1000-1100 °C
- spezifische Wärmekapazität [J/(kg*K)]: 140
- Wärmeleitfähigkeit (statisch) [W/(m*K)]: 20…24
- Wärmeübergangsfähigkeit [W/(m2*K)] im DFR: 30000…40000
- Zähigkeit [mPa*s]: 1
Bei einer Temperaturdifferenz von etwa 200 K zwischen Einlauf und Auslauf des Kerns müssen bei einer thermischen Leistung von 3 GWth somit 115 Tonnen, somit knapp 12 m3 Blei je Sekunde umgewälzt werden, entsprechend einer Umlaufgeschwindigkeit von 2 bis 4 Meter pro Sekunde, je nach Rohrabstand.
Eigenschaft | DFR-s-3000 | DFR-s-300 | DFR-m-3000 | DFR-m-300 |
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thermische Nominalleistung, MW | 3000 | 300 | 3000 | 300 |
elektrische Nettoleistung, MW | 1500 | 130 | 1500 | 130 |
Größe d. gesamten Reaktorkerns (Durchmesser x Höhe, m) | 5,5 x 5,5 | 2,9 x 2,5 | 2.6 x 2.4 | 1.0 x 1.0 |
Größe der aktiven Zone (Durchmesser x Höhe, m) | 2,8 x 2,8 (davon Einlass/Auslass je 0,2 Höhe) | 1,0 x 1,1 (davon Einlass/Auslass je 0,15 Höhe) | identisch zum Kern, kein Blanket | identisch zum Kern, kein Blanket |
Innendurchmesser einer Brennstoffröhre (mm) | 18 | 18 | 19 | 20 |
Wandstärke einer Brennstoffröhre (mm) | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 |
Anzahl Brennstoffröhren | 11000 | 2400 | 8000 | 1250 |
Masse des ges. Brennstoffs ohne Blanket (davon in aktiver Zone), Mg | 45 (32) | 5 (3.5) | 110 (90) | 8 (6.2) |
Brennstoffart | reine, flüssige Aktinidsalze, hauptsächlich UCl3 bzw. ThCl3 | reine, flüssige Aktinidsalze, hauptsächlich UCl3 bzw. ThCl3 | flüssige Uran- bzw. Thoriumbasislegierung mit Reaktorplutonium bzw. U-233 | flüssige Uran- bzw. Thoriumbasislegierung mit Reaktorplutonium bzw. U-233 |
Brennstoffzusammensetzung (bei Th-U mit U-233) | 80% UCl3/20% PuCl3 (U-Pu) 84% ThCl3/16% UCl3 (Th-U) | 55% UCl3/45% PuCl3 (U-Pu) 60% ThCl3/40% UCl3 (Th-U) | 71% U / 9% Pu (U-Pu) 71% Th / 9% U (Th-U) | 69% U / 11% Pu (U-Pu) 69% Th / 11% U (Th-U) |
mittlere Brennstofftemperatur (Wand/Rohrmitte, °C) | 1000 / 1280 | >950 / 1250 | 1000 / 1250 | 950 / 1200 |
mittlere Bleikühlmitteltemperatur, °C | 950 | >900 | >950 | 900 |
mittlere Brennstoff-/ Kühlmitteldichte (kg/m³) | 4000 / 10000 | 4000 / 10000 | 16500 / 10000 | 16500 / 10000 |
Konversionsrate für Brennstoffkreisläufe U-Pu / Th-U | 1.25 / 1.1 | 1.05 / 1.0 | 1.6 / 1.15 | 1.3 / 1.0 |
Wärmeübertragungskoeffizient Brennstoff (W/(m² x K) | ca. 6000 | ca. 6000 | ca. 11000 | ca. 16000 |
Wärmeübertragungskoeffizient Bleikühlmittel (W/(m² x K) | ca 27000 | ca 30000 | ca. 33000 | ca. 38000 |
Fließgeschwindigkeit Brennstoff/Kühlmittel (m/s) | 1 / 3.5 | 1 / 3.6 | 0.06 / 3.2 | 0.06 / 2.9 |
linearer Leistungskoeffizient (W/cm) | 1000 | 1000 | 1600 | 2400 |
max. Abbrand in Spaltzone bei Reaktivitätsschwankung, U-Pu, (MWd/kg, pcm) | 3 bei -1000 (kontinuierl. Aufbereitung alle 30 Tage) | 2 bei +500 (Pu-Extraktion alle 70 Tage, Aufbereitung 1x jährlich) | 270 bei +2000 bis -3000 (20 Jahre Betrieb, Aussteuerung) | |
Reaktivität: gesamter prompter Temperaturkoeffizient (pcm/K) | -8 | -8 | -5 | -5 |