DE2217816A1 - Verfahren zum abschalten eines hochtemperatur-reaktors - Google Patents

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Dipl.-Ing. H. Sauerland · Dn.-Ing. R. König · Dipl.-Ing. K. Bengen

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Unsere Akte: 27 363 12. April 1972

HKG-Hochtemperatur-Kernkraftwerk GmbH, 4701 Uentrop/Unna

"Verfahren zum Abschalten eines Hochtemperatur-Reaktors"

Für den sicheren Betrieb von Kernreaktoren ist es eine unerläßliche Voraussetzung, daß diese mit absolut sicheren Abschalteinrichtungen versehen sind. Hierzu ist bereits eine große Anzahl von Vorschlägen gemacht worden, die im wesentlichen sämtlich auf dem Prinzip beruhen, in irgendeiner Weise Neutronenabsorber in den neutronenphysikalischen Wirkungsbereich des Reaktors einzubringen«, So hat man beispielsweise sogenannte Abschaltstäbe mit Neutronenabsorbern entwickelt und zum Einsatz gebracht, die sowohl willkürlich manuell oder in Störfällen durch automatisches Auslösen der Sicherheitsschaltung (Reaktorschutz) in das Reaktorcore eingebracht werden. Darüber hinaus sind jedoch auch andere Möglichkeiten zum Einbringen neutronenabsorbierender Materialien bekannt, die häufig insbesondere als zusätzliche Abschaltmittel eingesetzt werden, zum Beispiel das Zugeben von Neutronenabsorbern in flüssiger oder gasförmiger Form, wobei sich der Aggregatzustand nach der Art des Kühlmittels des Reaktors richtet_o

Diese bekannten Abschaltverfahren werden zwar dem Bedürfnis nach Sicherheit in dem Maße voll gerecht, wie sie durch die Redundanz der Ausführung gegeben ist, jedoch treten bei Hochtemperatur-Reaktoren für größere Leistung und mit dementsprechend hoher Leistungsdichte zusätzlich tech-

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nologische Probleme auf, die dadurch bedingt sind, daß die Absorberstäbe in das Core selbst eingefahren werden müssen, dessen Betriebstemperaturen im heißesten Bereich bereits heute zwischen 1000 und 1100° C liegen,, Wird nun ein Abschaltvorgang durch Einfahren von Absorberstäben in das Core eingeleitet, so wird zwar die durch Kernspaltung erzeugte Leistung des Reaktors reduziert bzw. unterbrochen, jedoch kommt sodann die sogenannte Nachwärmeproduktion zum Tragen, die zufolge der hohen Leistungsdichte insbesondere nach voraufgegangenem längerem Vollastbetrieb noch für mehrere Wochen nach dem Abschalten größer als die Wärmeleistung ist, die ohne wesentliche Temperatursteigerung über den Reflektor nach außen abfließen kann. Ohne geeignete Maßnahmen würden die daraus resultierenden Wärmemengen die Abschaltstäbe unzulässig hohen Temperaturen aussetzen, so daß zur Vermeidung einer Zerstörung der Abschaltstäbe durch entsprechende Kühlung für hinreichende Abfuhr der Nachwärme gesorgt werden muß. Um hierfür eine ausreichende Sicherheit zu gewährleisten, ist für die Redundanz der Nachwärmeabfuhreinrichtungen ein außerordentlich hoher Aufwand erforderlich.

Zu den zuvor beschriebenen, im Interesse der geforderten Sicherheit unerläßlichen Maßnahmen kommen bei diesen bekannten Abschaltverfahren noch weitere Nachteile hinzu, die sich insbesondere beim' Betrieb des Reaktors auswirken, wobei zu bemerken ist, daß bei der überwiegenden Zahl der Abschaltfälle, der Reaktor nach dem Abschaltvorgang schnell wieder angefahren werden soll, weil die Ursache für die meisten Abschaltfälle sich nämlich innerhalb relativ kurzer Zeit ermitteln und beheben läßt. Da die Ausfahrgeschwindigkeit der zum Abschalten in das Core eingefahrenen Absorberstäbe aus Sicherheitsgründen begrenzt ist, nimmt das Wiederanfahren des Reaktors eine längere Zeit in Anspruch. Außerdem verursacht das Wiederaufheizen des Cores nach sei-

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nem Herunterkühlen nicht nur einen erheblichen zusätzlichen Zeitverlust beim Wiederanfahren, sondern führt in jedem Fall auch zu nachteiligen Temperaturwechselbeanspruchungen des Cores und seiner Einbauten.

Es sei in diesem Zusammenhang erwähnt, daß Hochtemperatur-Reaktoren bekannt sind, die zwar weitere Absorberstäbe für die Leistungsregelung und für die Kompensation der Überschußreaktivität als soganannte Regelstäbe neben den zuvor erwähnten Absorberstäben für das Abschalten und Kaltfahren des Reaktors (Abschaltstäbe) aufweisen, die ständig im Neutronenfluß arbeiten, jedoch werden diese aus Gründen einer möglichst geringen Temperaturbelastung in einem kälteren Teil des Reaktors angeordnet, beispielsweise im Bereich der KühlgaseintrittsSeite des Cores oder im Bereich des Seitenreflektors. Zwar ist in diesen Bereichen einerseits die Temperaturbelastung der Regelstäbe tragbar und andererseits der Neutronenfluß noch ausreichend hoch, um den für die Regelaufgabe geforderten, relativ geringen Reaktivitätsbeitrag der Regelstäbe zu gewährleisten. Er reicht jedoch nicht aus, um mittels der Regelstäbe den Reaktor über das Abschalten hinaus auch kaltzufahren. Der Reaktivitätsbeitrag der Regelstäbe beträgt zum Beispiel bei einem 300 MW^-Kugelhaufen-Reaktor bei im Seitenreflektor angeordneten Regelstäben insgesamt ca, 4 Nile, während für den kaltunterkritischen Zustand dieses Kugelhaufen-Reaktors eine.Gesamtreaktivitätsbindung der in das Core eintauchenden Abschaltstäbe von ca. 18 Nile vorzusehen ist, Daraus wird deutlich, daß lediglich mit den an und für sich hinsichtlich der Temperaturbelastung günstig ange- · ordneten Regelstäben ein Abschalten des Reaktors nicht möglich ist, vielmehr dazu die bereits erwähnten Abschaltstäbe erforderlich sind, die die eingangs aufgezeigten Nachteile mit sich bringen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren

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zum sicheren Abschalten eines Hochtemperatur-Reaktors zu schaffen, das die vorerwähnten Nachteile bekannter Reaktoren nicht aufweist und insbesondere zu einer Schonung und damit Lebensdauererhöhung der Corestäbe führt, wobei gleichzeitig insbesondere kurzfristige Abschaltvorgänge in betrieblich günstigerer Weise als bisher durchführbar sind. Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf dem Gedanken, den negativen Temperaturkoeffizienten der Reaktivität, der in der Praxis bei Hochtemperatur-Reaktoren vorgesehen wird, in den Abschaltvorgang als maßgebliche Einflußgröße einzubauen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Abschaltvorgang durch Erhöhen der mittleren Coretemperatur mittels der Nachwärmeproduktion eingeleitet wird. Da die Erhöhung der mittleren Coretemperatur zu einer negativen Reaktivität führt, wird dann im Reaktor praktisch keine Leistung durch Spaltung mehr erzeugt.

Durch die eingangs erwähnte Nachwärmeproduktion ergibt sich für den erfindungsgemäßen Abschaltvorgang insofern eine überraschend einfache Ausführbarkeit, als das Aufheizen des Cores mittels der Nachwärme erfolgen kann, indem zunächst die Leistungsabfuhr unterbrochen und sodann eine dosierte Nachwärmeabfuhr durchgeführt wird. Wird das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise bei einem Kugelhaufen-Reaktor angewandt, so wird dabei vorzugsweise die mittlere Coretemperatur von ca, 550 bis 700° C zunächst auf ca. 800 bis 1300° C erhöht.

Liegt zum Beispiel bei einem 300 MW -,-Kugelhaufen-Reaktor die mittlere Coretemperatur bei Vollast bei 630° C und wird diese um etwa 250° C in der erfindungsgemäßen Weise erhöht, so bedeutet dies bei einem negativen Temperaturkoeffizienten der Reaktivität von 2 mNile/°C eine Unterkritikalität von 0,5 Nile. Damit ist der Reaktor ohne Einbringen von Absorberstäben lediglich durch Unterbrechen der Lei-

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stungsabfuhr, d.h. der Corekühlung, beispielsweise durch Abschalten der Kühlgasgebläse, um den genannten Betrag unterkritisch, wobei die Nachwärmeproduktion im Zusammenhang mit dem negativen Temperaturkoeffizienten das erfindungsgemäße Verfahren inhärent sicher macht.

Da, wie eingangs erwähnt, die Nachwärmeproduktion nicht schlagartig abfällt, ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gleichzeitig gewährleistet, daß das erhöhte Temperaturniveau in einfacher Weise über längere Zeit gehalten werden kann, wobei Nachwärme lediglich in dem Umfang abzuführen ist, als sie zu einer Erhöhung der Temperatur über die gewünschte mittlere Coretemperatur hinausführen würde.

Eine Erhöhung der mittleren Coretemperatur - zum Beispiel um 250° C - bedeutet aber auch für die Brennelemente keine besondere Belastung, da die mittlere Temperatur im Brennstoff bei Vollast im Falle des zuvor erwähnten ·Kugelhaufen-Reaktors beispielsweise bei etwa 680° C liegt, während die maximale Temperatur im Brennstoff 1250° C beträgt. Wird nun der Reaktor in der erfindungsgemäßen Weise abgeschaltet, so ist damit zwar eine Erhöhung der mittleren Coretemperatur verbunden, jedoch steigt aufgrund der unterbrochenen Leistung die maximale Brennstofftemperatur allenfalls unwesentlich an. Es stellt sich also zwangsläufig ein Temperaturausgleich im Core ein, so daß beim Übergang von Leistungsproduktion zur Nachwärmeabfuhr sich der in den Brennelementen thermische Spannungen hervorrufende Temperaturgradient in vorteilhafter Weise verringert ·

Somit bietet das erfindungsgemäße Abschaltverfahren gegenüber bisher bekannten Vorschlägen in vieler Hinsicht erhebliche Vorteile. Abgesehen davon, daß es aufgrund der physikalischen Zusammenhänge nicht nur inhärent sicher ist,

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werden die Abschaltstäbe auch keinerlei Temperaturbeanspruchung > : unterworfen, da sie zumindest in der ersten Phase des Abschaltvorgangs in ausgefahrener Position verbleiben. Darüber hinaus werden bei kurzzeitigen Abschaltvorgängen die üblicherweise mit dem Wiederanfahren verbundenen Zeitverluste vermieden, da für diese Fälle das Ziehen der Abschaltstäbe sowie das Wiederaufheizen des Reaktors entfällt. Damit ist weiterhin verbunden, daß die erheblichen Wärmewechselbeanspruchungen des Reaktors und seiner Einbauten vermieden werden, was insofern von besonderer Bedeutung ist, als die Abschaltstäbe die temperaturempfindlichsten Elemente eines Reaktorcores darstellen.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bieten sich je nach den Erfordernissen hinsichtlich der Folge der einzelnen Abschaltmaßnahmen verschiedene Möglichkeiten an. So besteht zunächst eine Möglichkeit darin, die dosierte Nachwärmeabfuhr nach Abschalten der Leistungsabfuhr mittels getrennter Nachwärmeabfuhreinrichtungen, beispielsweise Gebläse, durchzuführen. Alternativ kann die dosierte Nachwärmeabfuhr jedoch auch mittels der Leistungsabfuhreinrichtungen selbst erreicht werden, indem diese auf reduzierter Leistung gefahren werden, so daß zumindest für diese Phase des Abschaltvorgangs zusätzliche bzw. gesonderte Nachwärmeabf uhreinrichtungen nicht erforderlich sind. Da das Abschalten der Leistungsabfuhr insbesondere für den Fall, daß dies mittels Gebläse durchgeführt wird, eine Maßnahme darstellt, die ohne nennenswerte Verzögerung durchgeführt werden kann, bietet das erfindungsgemäße Verfahren somit in jedem Fall die Möglichkeit, entweder bei Störungen unverzüglich zu reagieren oder willkürlich außerhalb des Sicherheitssystems ein schnelles Abschalten ohne Vorliegen einer Störung einzuleiten, ohne daß damit die eingangs im Zusammenhang mit dem Einfahren von Abschaltstäben aufgezeigten Nachteile verbunden sind.

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Die dosierte Nachwärmeabfuhr kann nach einem Weiteren Merkmal der Erfindung auch intermittierend erfolgen, wobei in vorteilhafter Weise die Möglichkeit gegeben ist, die dabei verwendeten Gebläse mit konstanter Drehzahl und mit entsprechend der notwendigen Wärmeabfuhr unterschiedlicher Zeitdauer zu- betreiben.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist selbstverständlich auch für das sogenannte Langzeitabschalten geeignet, bei dem das Gore vom heißen, erfindungsgemäß" abgeschalteten Zustand ausgehend kalt gefahren werden soll. In diesem Fall ist die Reaktivitätsbindung durch die Regelstäbe nicht mehr ausreichend, um den Reaktor in den kalt unterkritischen Zustand zu bringen. Dafür schlägt die Erfindung vor, nach Abschalten der Leistungsabfuhr während der dosierten Nachwärmeabfuhr mindestens einige der Regelstäbe einzufahren und sodann die Nachwärmeabfuhr zu steigern, wodurch die mittlere Coretemperatur abgesenkt wird - bei eingefahrenen Regelstäben liegt die mittlere Temperatur für den kritischen Zustand niedriger - , so daß die Abschaltstäbe bei bereits laufender Nachwärmeabfuhr und bei einem unter der Betriebstemperatur liegenden niedrigeren Temperaturniveau in für sie schonender Weiee eingefahren werden können. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, anstelle der Regelstäbe die Abschaltstäbe als Regelstäbe zu benutzen.

In den Rahmen der Erfindung gehört auch die Maßnahme, den Abschaltvorgang dadurch einzuleiten, daß zunächst die Regelstäbe um beispielsweise 0,5 Nile eingefahren werden und die mittlere Coretemperatur dann durch eine entsprechend dosierte Nachwärmeabfuhr auf dem Betriebswert gehalten wird. Dieses Abschaltverfahren empfiehlt sich dann, wenn ein Überschreiten der betrieblichen Durchschnittstemperaturen während des Abschaltvorgangs nicht erwünscht ist. Gleichwohl wird auch in diesem Fall der Abschaltvorgang durch

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eine relative Erhöhung der mittleren Coretemperatur gegenüber dem Wert bei Kritikalität erreicht, da das Einfahren der Regelstäbe eine Erniedrigung der dem kritischen Zustand entsprechenden mittleren Coretemperatur bedeutet.

Ein entscheidender Vorteil des erfindungegemaßen Verfahrens kommt in den durchaus realen Störfällen zum Tragen, bei denen die Nachwärmeabfuhr nur mit Verzögerung einsetzt, oder die bereits laufende Nachwärmeabfuhr ausfällt, wodurch bei den herkömmlichen Verfahren, bei denen der Abschaltvorgang durch Einführen von Abschaltstäben ausgelöst wird, letztere erheblichen Schaden nehmen würden. Wenn nämlich bei den bisher angewandten Abschaltverfahren nach Einfahren der Abschaltstäbe die Nachwärmeabfuhr nur verzögert in Betrieb kommt oder während der ersten Minuten ausfällt, befindet sich das Core nicht nur auf einem noch hohen Temperaturniveau, sondern die in dieser ersten Zeit relativ hohe Nachwarmeproduktion heizt das Core darüber hinaus schnell weiter auf, so daß nur wenig Zeit verbleibt, redundante Einrichtungen zur Nachwärmeabfuhr für den Schutz der Abschaltstäbe in Betrieb zu nehmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet diese aus hohem Temperaturniveau und gleichzeitig hoher Aufheizgeschwindigkeit resultierende Gefährdung der Abschaltstäbe, da zumindest die erste Phase der hohen Nachwarmeproduktion bei ausgefahrenen Abschaltstäben verläuft. Letztere brauchen erst dann eingefahren zu werden, wenn die mittlere Coretemperatur unter das betriebliche Temperaturniveau abgesenkt worden 1st und die Nachwarmeproduktion entsprechend ihrem zeitlichen Verlauf bereits ein erheblich niedrigeres Maß erreicht hat. So ist dieser Wert im ungünstigsten Falle bereite nach 5 Minuten auf ungefähr die Hälfte des Anfangewerts abgesunken und beträgt nach 30 Minuten nur noch ca. ein Drittel des Anfangswertes.

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Das mit dem Verfahren gemäß der Erfindung verbundene spätere Einfahren der Abschaltstäbe und das damit erreichte niedrige Temperaturniveau und der langsamere Temperaturanstieg bei Ausfall der Nachwärmeabfuhr nach Einfahren der Abschaltstäbe lassen ausreichend Zeit, um andere aufgrund der Redundanz vorhandene Einrichtungen zur Nachwärmeabfuhr in Betrieb zu nehmen.

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Claims (9)

1. HKG-Hochtemperatur-Kernkraftwerk GmbH, 4701 Uentrop/Unna

   Patentansprüche ι

   'I?)Verfahren zum Abschalten eines Hochtemperatur-Reaktors, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschaltvorgang durch Erhöhen der mittleren Coretemperatur mittels der Nachwärmeproduktion eingeleitet wird.
2. 2. Abschaltverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zunächst die Leistungsabfuhr unterbrochen und sodann eine dosierte Nachwärmeabfuhr durchgeführt wird.
3. 3. Abschaltverfahren nach Anspruch 1 oder 2 für einen Kugelhaufen-Reaktor, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Coretemperatur von ca. 550 bis 800° C zunächst auf ca, 800 bis 1300° C erhöht wird.
4. 4. Abschaltverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3« dadurch gekennzeichnet, daß die dosierte Nachwärmeabfuhr nach Abschalten der Leistungsabfuhr mittels getrennter Nachwärmeabfuhreinrichtungen durchgeführt wird.
5. 5· Abschaltverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur dosierten Nachwärmeabfuhr die Leistungsabfuhreinrichtungen auf reduzierter Leistung gefahren werden.
6. 6. Abschaltverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

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   daß die dosierte Nachwärmeabfuhr intermittierend durchgeführt wird.
7. 7. Abschaltverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach Abschalten der Leistungsabfuhr während der dosierten Nachwärmeabfuhr mindestens einige der Regelstäbe oder mindestens einige der dann als Regelstäbe einsetzbaren Abschaltstäbe eingefahren werden und sodann die Nachwärmeabfuhr gesteigert wird.
8. 8. Abschaltverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zunächst die Regelstäbe - vorzugsweise um ca. 0,5 Nile - eingefahren werden und sodann die mittlere Coretemperatur durch dosierte Nachwärmeabfuhr auf dem Betriebswert gehalten wird.
9. 9. Abschaltverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit der dosierten Nachwärmeabfuhr ungefähr 5 biß 20 Minuten nach Abschalten der Leistungsabfuhr begonnen wird.

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