DE1926344C3 - Einrichtung zur Reaktivitätsregelung von leicht wassergekühlten Atomreaktoren - Google Patents

Description

Aus der DT-AS 12 19 598 ist eine Einrichtung zur chemischen Regelung der Reaktivität leichtwassergekühlter Atomkernreaktoren bekannt, bei der zur Regelung der Reaktivität Flüssigkeiten, insbesondere flüssige Metalle, durch ein vom Reaktorkühlmittel getrenntes, und den Reaktorkern gesondert durchsetzendes Rohrsystem geleitet werden. Dadurch soll der Vorteil fo erreicht werden, daß alle beweglichen Teile außerhalb des Reaktorgefäßes zu liegen kommen und daher leicht zu einer Überprüfung und zu einer normalen Erneuerung dieser Teile zugänglich sind (Spalte 4, Zeilen 17 bis 21).

Der gleiche Gedanke beherrscht auch die Vorschläge der DL-PS 37 088, nach denen zur Regelung der Reaktivität nicht nur flüssige, in ihrer Neutronenabsorption offenbar unveränderliche Medien, sondern auch gasförmige Absorber dienen, die zur zusätzhchen Regelung eine veränderliche Dichte aufweisen können. nip Rohre für das Absorbermedium sind hier ebenso wie bei der Anordnung nach der DT-AS 12 '9 598 von unten in den Reaktor geführi.

\us der GB-PS 9 27 438 isi es auch bekannt, die Reaktivität eines Atomkernreaktors durch einen wasserlöslichen Neutronenabsorber, nämlich Borsäure, und durch schweres Wasser zu regeln, wobei je nach der gewünschten Beeinflussung eine entsprechende Mischung hergestellt wird. ...

Die zuletzt genannte Entgegenhaltung zeigt in einer stark schematischen Darstellung Leitungen, die von oben in den Reaktorkern führen. Das Reaktorgefäß ist jedoch nicht dargestellt, so daß keine Einzelheiten der konstruktiven Ausbildung zu entnehmen sind.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur chemischen Regelung der Reaktivität leichtwassergekühlter Atomkernreaktoren mittels eines wasserlöslichen Neutronenabsorbers einstellbarer Konzentration, der durch ein vom Reaktorkühlmittel getrenntes und den Reaktorkern gesondert durchsetzendes Rohrsystem geleitet wird.

Ziel der Erfindung ist eine derartig konstruktive Ausbildung der eingangs genannten Einrichtung, daß bei kleinem Aufwand für das Rohrsystem im Inneren des Reaktors gute Wartungsmöglichkeiten, und zwar sowohl für das Rohrsystem als auch für die Brennelemente bestehen. Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Rohrsystem als Steuerelement ein den Reaktordeckel mit Hilfe einer lösbaren Deckeldichtung durchdringendes Halterohr, mehrere an dieses angeschlossene radiale Halterungen und jeweils mindestens ein Einzelrohr an jeder Halterung umfaßt, das während des Reaktorbetriebes von oben in ein Führungsrohr eines Brennelementes eingefahren ist und daß das Steuereiement als Einheit in den Reaktorkern einfahrbar und aus diesem herausziehbar ist.

Es ist zwar bereits bekannt, zur Regelung der Reaktivität leichtwassergekühlter Atomkernreaktoren sogenannte Fingerregelstäbe zu benutzen, die mehrere als Finger bezeichnete Stäbe mit festem Absorbermaterial aufweisen und beweglich durch den Reaktordeckel geführt sind (vergleiche z. B. »Atom und Strom«, 1965, S. 125). Diese Regelstäbe werden während des Betriebes ständig in ihrer Höhenlage verändert, da mit der unveränderlichen Konzentration des festen Absorbers nur durch Veränderung der Lage des Absorbers zum Kern eine Änderung der Reaktivitätsbeeinflussung möglich ist. Hierfür werden zuverlässige Antriebe benötigt, so daß insgesamt ein recht hoher mechanischer Aufwand erforderlich ist. Gerade deswegen hat man sich in den vorher erwähnten Literaturstellen mit Einrichtungen mit einem wasserlöslichen Neutronenabsorber beschäftigt, die keine ständig beweglichen Teile haben.

Erstaunlicherweise hat sich nun gezeigt, daß die Ausbildung des Rohrsystems als Steuerelement, das zwar beweglich angeordnet ist, aber während des Betriebes unverändert im Kern bleibt, eine einwandfreie Regelung durch Konzentrationsänderung ermöglicht und gleichzeitig ohne nennenswerten Mehraufwand für die bewegliche Anordnung im Vergleich zu den bekannten Einrichtungen mit festem Rohrsystem die Wartung und Montage ganz wesentlich erleichtert.

Das oder die Steuerelemente nach der Erfindung können als Ganzes aus dem Kern entfernt werden, so daß die Brennelemente frei zugänglich sind. Da die Be-

festigung des Steuerelementes mit dem Halterohr am Reaktordeckel erfolgt, ist nur dort eine entsprechende Bearbeitung notwendig. Hier können auch die Halterohre außerhalb des Reaktors zusammengefaßt und an geeignete Systeme zur Verände-jng der Konzentration angeschlossen werden.

Wie gefunden wurde, ergibt sich eine besonders günstige Anordnung, wenn ein Steuerelement jeweils zwei bis neun Brennelemente überdeckt, wobei jedes Brennelement von mindestens einem Einzelrohr durchsetzt wird. Auf diese Weise gelingt trotz weniger Durchführungen durch den Reaktordeckel eine örtlich fein verteilte Regelung, wobei der besondere Vorteil vorliegt, daß die Regelung über die gesamte axiale Länge des Reaktorkerns gleichmäßig wirkt. Hieraus ist eine Steigerung der mittleren Leistungsdichte um etwa 25% möglich.

Mehrere Steuerelemente nach der Erfindung können vorteilhaft zu einer Ringgruppe zusammengefaßt sein, die durch unterschiedliche Konzentration der Beeinflussung der radialen Leistungsdichteverteiiung ermöglicht. Man kann dadurch auch die radiale Leistungsdichte gleichmäßig an der oberen zulässigen Grenze halten. Die radialen Halterungen der Steuerelemente können zwischen den oberen Enden der Brennelemente und der oberen Gitterplatte des Kerngerüstes liegen und so ausgebildet sein, daß zwischen ihnen mechanische Fingerregelstäbe und Teillängenregelsiäbe einfahrbar sind, deren in Führungseinsätzen geführte Betätigungsspinnen sich in voll eingefahrenem Zustand oberhalb der radialen Halterungen befinden. Bewegung und Antriebe der dann nur noch für spezielle Einzelaufgaben benutzten Fingerregelstäbe mit festem Absorber können dann unverändert, jedoch in viel kleinerer Zahl und mit entsprechend kleinerem Aufwand von bekannten Anordnungen übernommen werden.

An Hand einer schematischen Zeichnung sind Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen nach der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch ein Reaktordruckgefäß mit eingefahrenem Steuerelement nach der Erfindung,

F i g. 2 den schematischen Aufbau eines derartigen Steuerelements,

F i g. 3 die Aufsicht auf ein Steuerelement am Beispiel einer Neunergruppe mit je vier Einzelrohren,

Fig.4 die Überdeckung der Brennelemente mit mehreren Steuerelementen,

F i g. 5 die Anordnung zusätzlicher herkömmlicher Regelstäbe und

F i g. 6 die Ausbildung eines Steue-elementes mit einem zusätzlichen Fingerrohr für die Kerninstrumentierung.

Zur Übersicht der Gesamtanordnung ist in F i g. 1 ein Reaktordruckgefäß 1 gezeigt, in dem innerhalb des Kernbehälters 2 die Brennelemente 3 angeordnet sind. Diese Brennelemente 3 werden vom oberen Kerngerüst 4 gehalten. In die Brennelemente 3 ist nun nach dem dargestellten Ausführungsbeispiel in der Achse des Druckgefäßes 1 ein Steuerelement 5 mit den Einzelrohren 6 angeordnet. Diese Einzelrohre 6 werden von einer Verteilerspinne 7 gehalten, von der ein axiales Halte- und Zuleitu.igsrohr 8 nach oben durch das obere Kerngerüst 4 und die Deckeldichtung 9 des Dekkels 10 des Reaktordruckgefäßes herausgeführt ist.

In F i g. 2 ist der schematische Aufbau eines derartigen Steuerelements 5 näher erläutert. Die Einzelrohre 6 sind an den Enden der als Arme 11 bezeichneten radialen Halterungen der Verteilerspinne 7 befestigt. Die Einzelrohre 6 bestehen aus einem äußeren, unten geschlossenen Hüllrohr sowie einer inneren koaxialen Zuleitung 12 kleineren Durchmessers für die Absorberflüssigkeit. Von der Mitte der Verteilerspinne 7 geht das Halte- und Zuleitungsrohr 8 nach oben aus, das nach dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit zwei zueinander konzentrisch angeordneten Rohren 13 und 14 zur Zu- und Ableitung der Absorberflüssigkeit dient. In der Verteilerspinne 7 zweigt vom inneren Zuleitungsrohr 13 in jedem Arm 11 der Verteileispinne 7 eine Leitung 15 ab, die mit den konzentrischen Zuleitungsrohren 12 in Verbindung steht. Die Absorberflüssigkeit wird also über das Zuleitungsrohr 13 und das Verbindungsrohr 15 über die einzelnen konzentrischen Zuleitungsrohre 12 in den Einzelrohren 6 bis zum Boden geleitet und strömt von hier wieder nach oben und über radiale Verbindungsleitungen 16 in den einzelnen Armen 11 zu dem Ableitungsrohr 14 in dem gemeinsamen Zuleitungs- und Halterohr 8.

Über die oberen Anschlüsse 17 nach F i g. 1 arn Ende des Rohres 8 werden die einzelnen Steuerelemente 5 mit der Absorberflüssigkeit gespeist. Dabei ist eine Regelung der Durchsatzmenge und der Konzentration möglich, so daß die durch Neutronenabsorption, Neutronenbremsung oder -absorption erzeugte Wärmemenge sicher abgeführt werden kann. Als Absorberlösung dient vorteilhafterweise eine wäßrige Lösung aus Borsäure, wobei die Borsäure gegebenenfalls über ihren natürlichen Gehalt an B¹⁰ angereichert werden kann.

Im Falle eines Schadens an den einzelnen Steuerelementen ist es vorteilhaft, wenn die Absorberlösung unter einem höheren Betriebsdruck als das Reaktorkühlmittel steht, so daß bei einem Leck innerhalb des Reaktorkerns der Neutronenabsorber in das Reaktorkühlmittel übertritt. Dadurch wird die Freisetzung von Reaktivität bei diesem Störfall vermindert.

Die Steuerelemente sind im allgemeinen so ausgebildet, daß jeweils mehrere Brennelemente von einem Steuerelement überdeckt werden. In F i g. 3 ist eine Anordnung gezeigt, bei der von einem Steuerelement neun Brennelemente überdeckt werden. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß in jedes Brennelement 3 vier Finger 6 des Steuerelementes hineinreichen. Die Ausbildung der Verteilerspinne 7 für diesen Anwendungsfall ist aus dieser Figur besonders gut zu sehen, wobei das Steuerelement insgesamt 36 Einzelrohre aufweist. Es ist aber auch möglich, daß jeweils nur 1, oder 4 Brennelemente von einem Steuerelement erfaßt werden.

Um gleichzeitig auch das Einfahren von herkömmlichen Teülängenregelstäben oder Abschaltregelstäben mit festen Absorbern zu ermöglichen, sind die mit Absorberflüssigkeit durchströmten Steuerelemente nach F i g. 4 so angeordnet, daß bei Überdeckung des Reaktorkerns mit Vierer-Gruppen flüssigkeitsgefüllter Steuerelemente jeweils ein Brennelement dazwischen nicht überdeckt wird, in das dann ein mechanisch bewegter Regelstab oder Regelstabfinger 18 eingefahren werden kann.

Die Zuordnung von mechanisch bewegten Regelstäben 18 zu flüssigkeitsgefüllten Steuerelementen 5 ist in F i g. 5 näher erläutert. In die Brennelemente 3 ist zunächst ein flüssigkeitsgefülltes Steuerelement 5 mit den Einzelrohren 6 so weit eingefahren, daß die Verteilerspinne 7 mit den radialen Halterungen 11 zwischen den oberen Enden der Brennelemente 3, also oberhalb der Brennelemen'.köpfe 19. und unterhalb der oberen Git-

terplatte 20 des Kerngerüstes liegt. In die Zwischenräume zwischen den einzelnen flüssigkeitsgefüllten Absorberstäben 6 kann in freie Brennelemente 3 ein mechanisch bewegter Regelstab 18 mit den Einzelfingern 21, die von einer Spinne 22 zusammengehalten werden, eingefahren werden. Die Betätigungsspinnen 22 dieser mechanisch bewegten Regelstäbe 18 mit festen Absorbern befinden sich im eingefahrenen Zustand oberhalb der Verteilerspinnen 7 der flüssigkeitsgefüllten Steuerelemente 5 und die einzelnen Absorberfinger 21 zwischen den Armen 11 der Verteilerspinne 7 der Steuerelemente, so daß die Regelstäbe 18 jederzeit ungehindert in die darunter befindlichen Brennelemente ein- und ausfahrbar sind.

Es ist dabei vorteilhaft, daß die Verteilerspinnen der flüssigkeitsgefüllten Steuerelemente so ausgebildet sind, daß sie gleichzeitig die Funktion der radialen Justierung und axialen Niederhaltung der Brennelemente gegenüber den Strukturen des oberen Kerngerüstes erfüllen.

Zur Beeinflussung der radialen Leistungsdichteverteilung im Reaktorkern ist es zweckmäßig, wenn die flüssigkeitsgefüllten Steuerelemente über den Querschnitt des Reaktorkerns in Ringzonen zusammengefaßt werden, wodurch eine gesonderte Einstellung der Konzentration für jede Zone möglich ist.

Die flüssigkeitsgefüllten Steuerelemente sollen im wesentlichen einen Ausgleich für alle schnellen Reaktivitätsänderungen des Reaktorkerns wie Leistungsänderungen und Änderung der Spaltproduktvergiftung bewerkstelligen. Die axiale Leistungsdichteverteilung wird in herkömmlicher Weise durch die Teillängenregelstäbe 18 beeinflußt, während die Schnellabschaltung durch die herkömmlichen Fingerregelstäbe in einem festen Absorber bewirkt wird. Die durch Abbrand hervorgerufene Reaktivitätsänderung wird dabei in bekannter Weise durch Anpassung der Konzentration eines wasserlöslichen Neutronenabsorbers im gesamten Reaktorkühlmittel kompensiert.

Die neuen Steuerelemente bieten eine gute Möglichkeit für die Anordnung einer zusätzlichen Sonde für die Kerninstrumentierung, wie das aus F i g. 6 hervorgeht.

Dabei ist in der Achse des Steuerelements ein zusätzliches Fingerrohr 23 angeordnet, das die Kerninstrumentierung aufnimmt. In diesem Fingerrohr 23 ist die Kerninstrumentierung so eingebaut, daß deren Zuleitungen 24 durch das Halte- und Zuleitungsrohr 8 an dessen oberen Anschluß geführt und dort mit den entsprechenden Kabeln oder Rohrleitungen lösbar verbunden sind. Diese Sonden 23 können dann gegebenenfalls auch durch das zentrale Zuleitungsrohr 8 herausgezogen werden.

Zum Ausfahren der flüssigkeitsgefüllten Steuerelemente werden bei dem beschriebenen Aufbau zunächst alle Anschlüsse 17 und 24 am oberen Ende des Halte- und Zuleitungsrohres 8 gelöst, der Deckel des Reaktor-

•5 druckbehälters und das obere Kerngerüst über den flüssigkeitsgefüllten Steuerelementen entfernt, so daß diese dann mit einem Führungswerkzeug aus den Brennelementen gezogen, während des Brennelementwechsels geführt und frei hängend abgestellt und nach dem Wechsel wieder in ihre zugehörigen Brennelemente eingesetzt werden können.

Die beschriebene neue Einrichtung zur chemischen Regelung der Reaktivität in leichtwassergekühlten Kernreaktoren ist besonders betriebssicher, da sie kei-

²S ne im Betrieb beweglichen Teile und keine Mechanismen innerhalb des Reaktorkerns aufweist. Darüber hinaus sind wesentlich geringfügigere und stabilere axiale Strukturen im oberen Kerngerüst möglich. Durch die leichte Regelung der Durchsatzmenge und der Konzentration der Absorberflüssigkeit ist eine kontinuierliche Reaktivitätsänderung möglich, die keine axiale Störung der Leistungsdichteverteilung bewirkt. Außerdem wird durch die beschriebene Anordnung Bauhöhe am oberen Kerngerüst und am Reaktordruckbehälter eingespart. Der besondere Vorteil liegt insbesondere darin, daß die mit Tageslastzyklusbetrieb verbundenen Reaktivitätsänderungen unter Vermeidung unzulässig großer Störung der Leistungsdichteverteilung beherrschbar sind, wobei außerdem eine Entlastung des Borsäureregelsysiems von schnellen Konzentrationsänderungen möglich ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur chemischen Regelung der Reaktivität leichtwassergekühlter Atomkernreaktoren mittels eines wasserlöslichen Neutronenabsorbers einstellbarer Konzentration, der durch ein vom Reaktorkühlmittel getrenntes und den Reaktorkern gesondert durchsetzendes Rohrsystem geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das jo Rohrsystem als Steuerelement (5) ein den Reaktordeckel (10) durchdringendes Halterohr (8), mehrere an dieses angeschlossene radiale Halterungen (11) und jeweils mindestens ein Einzelrohr (6) au jeder Halterung (U) umfaßt, das während des Reaktorbetriebes von oben in ein Führungsrohr eines Brennelementes (3) eingefahren ist, und daß das Steuerelement (5) als Einheit in den Reaktorkern (2) einfahrbar und aus diesem herausziehbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerelement (5) jeweils zwei bis neun Brennelemente (3) überdeckt, wobei jedes Brennelement (3) von mindestens einem Einzelrohr (6) durchsetzt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch *5 gekennzeichnet, daß mehrere Steuerelemente (5) zu einer Ringgruppe zusammengefaßt sind, die durch unterschiedliche Einstellung der Konzentration eine Beeinflussung der radialen Leistungsdichteverteilung ermöglicht.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Halterungen (11) der Steuerelemente (5) zwischen den oberen Enden (19) der Brennelemente (3) und der oberen Gitterplatte (20) des Kerngerüstes (4) liegen und so ausgebildet sind, daß zwischen ihnen mechanische Fingerregelstäbe (31) und Teillängenregelstäbe einfahrbar sind, deren in Führungseinsätzen geführte Betätigungsspinnen (22) sich in voll eingefahrenem Zustand oberhalb der radialen Halterungen (11) befinden.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches, zur Aufnahme von Sonden für die Kerninstrumentierung ausgebildetes Fingerrohr (23) in der Verlängerung des zentralen Halterohres (8) derart angeordnet ist, daß die Zuleitungen für die Instrumentierung durch das Halterohr (8) an den oberen Anschluß (24) geführt und die Sonden durch das zentrale Halterohr (8) nach oben herausziehbar sind.

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