DE2123894A1

DE2123894A1 - Verfahren zur Beschickung eines Kernreaktors

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Publication number: DE2123894A1
Application number: DE19712123894
Authority: DE
Original assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Current assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Priority date: 1971-05-14
Filing date: 1971-05-14
Publication date: 1972-12-14
Also published as: FR2137907A1; GB1345832A; IT955476B; FR2137907B1

Description

BRQlUN BOUER I /KRUPP Mannheim, den 12. Rlai 1971

REAKTORBAU GMBH Pat/Dah/Ro,7i01

WERFAHREN ZUR BESCHICKUNG EINES KERNREAKTORS

Die Verwendung von Hochtemperaturraaktoren für die Erzeugung von elektrischem Strom oder für energietachniache Verfahren für die chemische Industrie und für andere Prozesse läßt eine Erhöhung dar bisherigen Auslegungstemperatur wünschenswert erscheinen. Während bisher die Hochtemperaturraaktoren nur mit einer Reaktoraustrittstamperatur des luärmeübartragenden Heliums von ca 750 C ausgestattet werden konnten, wäre es für solche Prozesse, insbesondere im Hinblick auf eine zukünftige Anwendung von Gasturbinen und von energetischen Prozessen, wünschenswert, diese Temperatur auf 900 C bis zu 1 000 C zu steigern. Die bisher erreichbare Kühlgasaustrittstemperatur ist durch die Begrenzung der Oberflächentemperatur der Brennelemente auf ca 1 050 C und der Temperatur der beschichteten Brennstoffpartikel

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auf ca 1 250 C im Reaktorkern beschränkt.

Der Erfindung liegt: die Aufgabe zugrunde, eine höhere Austritte·* temperatur das Ulärmeübertragungsmittels bei Hochtemperaturreaktoren zu erreichen. Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei einem Verfahren zur Beschickung eines Kernreaktors erfindungsgemäß dadurch, daß der Reaktor im wesentlichen kontinuierlich mit vorzugsweise kugelförmigen Brennelementen, gegebenenfalls zusätzlich mit Graphit und/oder Absorbarelementen, beschickt und von einem Wärmeübertragungsmittel von oben nach unten durchströmt ist, wobei die Brennelemente dem Reaktor oben zugegeben und unten dem Reaktor entnommen werden, und die Beschickung zeitlich so durchgeführt wird, daß die axiale Leistungsdichteverteilung im oberen Teil, vorzugsweise im oberen Drittel des Reaktors ein Maximum hat, und daß die Leietungsdichteverteilung hiernach nahezu exponentiell

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nach unten abfällt, und daß die Brennelemente bereits nach einmaligem Durchlaufen des Reaktors den gewünschten Endabbrand erreicht haben. Das maximum der Leistungsdichteverteilung soll wenigstens das Zweifache, vorzugsweise das Dreibis Vierfache der mittleren Leistungsdichteverteilung betragen, um eine bestmögliche Verwirklichung des Erfindungsgedankens zu erreichen. Weiter ist as günstig, wenn die Brennstofftemperatur im Inneren der Brennelemente nach einer Anheizphase über den gesamten Reaktor etwa gleichbleibend ist, was in erster Linie durch entsprechende Steuerung der Leistungsdichteverteilung und der Kühlgasbedingungen erzielt werden kann. Der Brennstoff ist W nach wachsenden Abbrandzuständen angeordnet. Das Verfahren wird vorzugsweise so durchgeführt, daß der Abbrand der Brennelemente auf etwa halber Höhe des Reaktors ca 70 bis 95 %, vorzugsweise 80 bis 90 % des Zielabbrandes beim Entladen beträgt. Weiter ist vorgesehen, daß die Leistungsdichte im oberen Teil des Reaktors maximal ist und am unteren Ende des Reaktors weniger als 1/5 der mittleren Leistungsdichte des Reaktors beträgt. Bezogen auf die maximale Leistungsdichte soll die Leistungsdichte am unteren Ende des Reaktors 5 bis 50 %, vorzugsweise 1Q bis 20 % der maximalen Leistungsdichte betragen.

Die neue durch die Erfindung realisierte Art der Beschickung verfc meidet vor allen Dingen das bisherige zwangsläufige Auftreten der höchsten Leistungsdichte des Reaktors etwa in der (flitte des Reaktorkerns. Bei den bekannten Reaktoren herrscht in diesem Gebiet mit der größten Leistungsdichte und dem höchsten Temperaturgradienten bereits eine hohe,Gastemperatur, die die effektive Begrenzung der Austrittstemperatur des wärmeübertragenden Gases darstellt. In diesem Gebiet werden die höchstzulässigen Brennelementtemperaturen im Innern und in der Oberfläche derjenigen Brennelemente erreicht, die eich auf Grund des Beladezykluesee in der ersten Phase ihrer Abbrandgeschichte befinden. Durch die Erfindung wird die größte Leistungsdichte in den kalten Bereich des Reaktors verlegt, wo das relativ kalte Gas in den Reaktor einströmt. Am Gaseintritt wird somit bei relativ niedrigen Temperaturen und größten

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Temperaturgradienten eine schnelle Aufheizung des Gases bewirkt· Die hohe Leistungserzeugung ist gleichmäßig auf alle Brennelemente verteilt, da sie sich alle am Anfang ihrer Abbrandgeschichte befinden. Die axiale Leistungsdichte nimmt zur mitte des Reaktors wesentlich ab und erreicht am unteren Reflektor des Reaktors ihr minimum, wodurch die Erhitzung des wärmeübertragenden Gases im Bereich der höchsten Temperaturen mit möglichst kleinen Temperaturgradienten erreicht wird. Die Gasströmung des Reaktors erfolgt von oben nach unten, wobei im oberen kalten Bereich des Reaktors frische Brennelemente vorhanden sind. Bei der Durchwanderung der Brennelemente durch den Reaktor wird der Brennstoff der Brennelemente langsam abgebrannt. Am Ausgang haben die Brennelemente einen Abbrand erreicht, der im Bereich von 30 bis 150 MlUd/kg, vorzugsweise 60 bis 100 mUId/kg Schwermetall liegt.

0er axiale Gradient der Spaltstoffkonzentration sowie die damit verknüpfte Zunahme der Spaltproduktvergiftung bedingen eine ausgeprägte Überhöhung des Neutronenflusses im oberen Teil des Reaktors und eine annähernd exponentiell verlaufende Verringerung zum unteren Teil hin· Verknüpft mit dem hohen NeutronenfiuQ und der hohen Spaltstoffkonzentration im oberen Teil ist eine starke Überhöhung der Leistungsdichte sowie ein starker Abfall nach unten hin charakteristisch für die vorliegende Erfindung. Die obere Leistungsuberhöhung ergibt, daß sämtliche Brennelemente bei Erreichen der Reaktormittelebene bereits mehr als 70 % ihres Zielabbrandes erreicht haben. Als Folge des langsamen Durchsatzes der Brennelemente können im unteren Teil keine wesentlichen Schwankungen im Abbrandzustand benachbarter Elemente auftreten, daher entfällt die Möglichkeit zu einer starken Abweichung von einer mittleren Leistungserzeugung, wie sie bei den herkömmlichen Reaktoren besteht. Das ausgeprägt asymmetrische Profil der axialen Leistungsverteilung bleibt infolge des langsamen Durchsatzes der Brennelemente im Laufe der Reaktorgeschichte aufrechterhalten.

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In der beigefügten Figur ist die Leistungs- und Temperaturvertsilung längs der Achse eines erfindungsgemäß beschickten Reaktors dargestellt. Als Abszisse ist die Reaktorhöhe gewählt wor-

3 den. Während die Ordinate in Grad Celsius und in IWU/m die Temperatur und Leistungsdichte angibt. Der axialen Verteilung der Leistungsdichte Q ist die entsprechende Verteilung der Temperaturen im Kühlgas (T ) und im Zentrum der Brennelemente (T-) gegenübergestellt. Es zeigt sich, daß die Temperatur T_ innerhalb der Brennelemente bei dem vorgeschlagenen Verfahren wegen der exponentiell abfallenden Leistungsdichte nach θϊπβγ kurzen Anheizperiode nahezu konstant bleibt. Die Aufheizung des Gases ist proportional zur Leistungsdichte und geschieht überwiegend im oberen Teil des Reaktors. Gleichfalls proportional zur Leistungsdichte ist der Temperaturgradient in den Brennelementen, der gekennzeichnet ist durch die Differenz der beiden Kurven T_f und T . Ale Folge des Abfallens der Leistungsdichte ist dieser Temperaturgradient im unteren Reaktor sehr gering, und beim Gasaustritt liegt die zentrale

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Brennelementtemperatur nur 20 C bis 50 C über der Temperatur dee umgebenden Kühlmittels, die annähernd der Oberflächentemperatur der Brennelemente gleich ist. Ein stark reduzierter Temperaturgradient liegt in sämtlichen Brennelementen im unteren heißen Reaktorteil vor, de ihr· Ltiitungairziugung infolg· dee gltiohförmigen Abbrindü nur unwesentlich variiert.

Bei herkömmlichen Reaktoren muß die Einhaltung der eingangs erwähnten Temperaturbegrenzungen für kugelförmige Brennelemente von maximal ca 1 050 C an der Oberfläche und 1 250 C für die Brennstoffpartikel, insbesondere bei den relativ frischen Brennelementen im Bereich des heißen Kühlgases beachtet werden. Die mittlere Leistungsdichte im Reaktorkern und die Gasaustrittstemperatur sind durch die relativ hohe Leistungesrzeugung im heißen Teil und ferner durch die Variationsbreite in den Abbrandzuständen benachbarter Elemente beschränkt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Leistungserzeugung im heißen Teil des Reaktors gleichmäßig auf benachbarte Brennelemente verteilt, und sie ist ferner gegenüber dem Mittelwert auf weniger als 1/5 reduziert. Ea kann nach dem neuen Verfahren bei den genannten Temperaturbegrenzungen eine

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Ausgangstemperatur von 1 000 C erzielt werden. Die zulässige Differenz von Oberflächen- und Partikaitemperatur in den heißesten Elementen gestattet die Konzeption einer mittleren Leistungsdichte

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im Reaktor von 8 bis 16 IKllJJ/m , vorzugsweise von 9 bis 12 IMU/m .

Die Regelung des Reaktors erfolgt in zweckmäßiger Weise durch Rsgalatäbe, die bei dem hier, vorgeschlagenen Verfahren im wesentlichen nur innerhalb des über dem Reaktorkern angeordneten Graphitreflektors bewegt zu werden brauchen. Das Abschalten des Reaktors kann hier durch Abschaltstäbe erfolgen, die nur ca 2m bis 3 m in den Reaktorkern einfahren. Bezogen auf die Höhe des Reaktorkerns ist eine Einfahrtiefe von nur 1/4 bis 2/3 der Reaktorkernhöhe erforderlich· Durch die Verschiebung des Neutronenflusses an den oberen Teil des Reaktors ist der Reaktor vom oberen Reflektor her besonders leicht regelbar. Bereits das Einführen der Regelstäbe in den oberen Reflektor bringt eins starke Verminderung der Reaktivität zustande. Das ist durch den hohen Spaltstoffanteil im oberen Teil des Reaktors und durch den geringen Spaltstoffanteil im unteren Teil bedingt.

Das vorgeschlagene Verfahren ist für einen Reaktor mit einem aus einer Kugilaohüfctung btiteh§ndin Reaktorkern mit Kugeliugibe- und Kugelabzugseinrichtungen vorgesehen, der Einrichtungen zum Einfahren von Regel- und/oder Abschaltstäben von oben her hat. Das Verfahren läßt sich mit diesem Reaktor realisieren, indem die Brennelemente von oben in den Reaktor mit einer bestimmten Zugaberate eingefüllt werden und nach einmaligem Durchwandern durch den Reaktorkern den gewünschten Abbrand erreicht haben. Am unteren Teil des Reaktcrs sind ein oder mehrere Kugslauslaßrohre vorgesehen, durch die die Brennelemente dem Reaktor während des Betriebes laufend entnommen werden können und dann als abgebrannte Brennelemente ausgeschieden werden. Die Beschickung des Reaktors kann somit ohne Abbrandmeßvorrichtung und ohne Einrichtung zum lUiederhochfördern der Brennelemente zum Reaktor durchgeführt werden. Sie stellt dadurch wegen ihrer geringen Anlagekoeten in Bezug auf die

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UJirtsohaftlichkait ein Optimum dar. Der untere Teil das Reaktors, in dem sich die Brennelements im abgebrannten Zustand befinden, dient gleichzeitig als eine Art Brennelementlager, in dem die Brennelemente eine Abkühlzeit über sich ergehen lassen· Das bedeutet, daß die Brennelemente mit einer relativ geringen Radioaktivität aus dem Reaktor ausgeschleust werden können, so daß vor dem Abtransport in eine UJiederaufarbeitungsanlage keine Zuiiachenlagerungen notwendig sind und die Brennelemente sofort abtransportiert werden können. Es ergibt sich weiter, daß durch die gewählte Konstruktion im unteren Teil des Reaktors nur relativ geringe Dosen von schnellen Neutronen erreicht werden, was zur Folge hat, daß die Hochtemperaturmaterialien am unteren Teil des Reaktors aus relativ einfachen, vorzugsweise temperaturbeständigen oder wirtschaftlichen Materialien, z.B. ungereinigtem Graphit, gefertigt werden können. Die höchste Strahlungsschädigung tritt am oberen Ende des Reaktors auf, wo im relativ niedrigen Temperaturbereich guts Kenntnisse über dia materialeigenschaften zur Verfügung stehen=, Bsi diesen niedrigen Temperaturen können ebenfalls relativ billige Graphitmaterialien eingesetzt werden.

Der Reaktor kann mehrere konzentrisch angeordnete zylindeffBrmigt Brennstoffzonen haben. Dadurch kann die radiale Leistungsdichteverteilung gesteuert werden, insbesondere wenn es sich um große Reaktoren handelt. Im allgemeinen genügt es, wenn eine innere und eine äußere zylindarförmige Brennstoffzone vorhanden ist. Die Brennstoffzonen werden mit unterschiedlicher Brennstoffkonzentration beschickt, wobei die inneren Brennstoffzonen gegenüber den äußeren Brennstoffzonen eine niedrigere Brennstoffkonzentration haben. Geder Brennstoffzone können gesonderte Zugabe- und Abzugsrohre zugeordnet sein.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE :

Verfahren zur Beschickung eines Kernreaktors dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor im wesentlichen kontinuierlich mit vorzugsweise kugelförmigen Brennelementen, gegebenenfalls zusätzlich mit Graphit- und/oder Absorberelementen, « beschickt und von einem Wärmeübertragungsmittel von oben nach unten durchströmt ist, wobei die Brennelemente dem Reaktor oben zugegeben und unten dem Reaktor entnommen werden, und die Beschickung zeitlich so durchgeführt wird, daß die axiale Leistungsdichteverteilung im oberen Teil, vorzugsweise im oberen Drittel, des Reaktors ein Maximum hat, und daß die Leistungsdichteverteilung nahezu exponentiell nach unten abfällt, und daß die Brennelemente bereits nach einmaligem Durchlaufen des Reaktors den gewünschten Endabbrand erreicht haben.
2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das maximum der Leistungsdichteverteilung wenigstens das Zweifache, vorzugsweise das Dreibie Vierfache der mittleren Leistungsdichteverteilung beträgt.
3) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstofftemperatur im Inneren der Brennelemente nach einer Anheizphase über den gesamten Reaktor etwa gleichbleibend ist.
4) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r ch gekennzeichnet, daß der Brennstoff nach wachsenden Abbraxidzuständen angeordnet ist und vom Kühlmittel in Richtung zunehmenden Abbrande· umströmt wird.

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5) l/erfahren nach einem der Ansprüche 1 bis' 4, dadurch gekennzeichnet, daS der Abbrand der Brennelemente auf etwa halber Höhe des Reaktors in der Witte dee Reaktorkerne ca 70 bis 95 %, vorzugsweise 80 bis 90 % seines Endwertes beträgt.
6) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß am unteren Ende des Reaktors die Leistungsdichte ca 5 bis 50 %, vorzugsweise 10 bis 20 % der maximalen Leistungsdichte des Reaktors beträgt.
7) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Reaktors durch Regelstäbe erfolgt, die im wesentlichen innerhalb eines oberhalb des Reaktorkerns angeordneten Graphitreflektor· bewegt werden.
8) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschalten des Reaktore durch Ab»chiUitüb8 isfolafc, die nur s&t 1/4 bis 2/3 vorzugsweise 1/3 bis 1/2 der RgaktorksrnhBhs in den Reaktorkern einführbar ausgebildet sind.
9) Reaktor zur Durchführung dos Verfahrene nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen aus einer Kugelschüttung bestehenden Reaktorkern mit Kugelzugabe- und Kugelabzugeeinrichtungen und einen oberhalb des Reaktorkarns angeordneten Graphitreflektor* der Einrichtungen zum Einfahren von Regel- und/oder Abschaltetaben von oben her hat.
10) Reaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor mehrere konzentrisch angeordnete zylinderförmige Brennstoffzonen hat.

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11) Reaktor nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet

durch eine innere und eine äußere zylinderförmige Brennstoffzone.
12) Reaktor nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch

gekennzeichnet, daß die Brennstoffzonen unterschiedliche Brennstoffkonzentrationen haben.
13) Reaktor nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Brennstoffzonen gegenüber den äußeren Brennstoffzonen eine niedrigere Brennstoffkonzentration haben.
14) Reaktor nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Brennstoffzone gesonderte Fall- und Abzugsrohre zugeordnet sind.

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