DE2217816C3 - Verfahren zum vorübergehenden Abschalten eines Hochtemperatur-Kernreaktors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum vorübergehenden Abschalten eines Hochtemperatur-Kernreaktors mit negativem Temperaturkoeffizienten der Reaktivität, bei dem die Kühlmittelzufuhr vermindert und damit der Reaktor unterkritisch wird.

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 sämtliche 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 den Reaktorkern eingebracht werden. Darüber hinaus sind jedoch auch andere Möglichkeiten zum Einbringen neutronenabsorbierender Materialien bekannt, die häufig insbesondere als zusätzliche Abschaltmittel eingesetzt werden, z. B. das Zugeben von Neutronenabsorbern in flüssiger oder gasförmiger Form, wobei sich der Aggregatzustand nach der Art des Kühlmittels des Reaktors richtet.

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 technologische Probleme auf, die dadurch bedingt sind, daß die Absorberfläche in den Reaktorkern selbst eingefahren werden müssen, dessen Betriebstemperaturen im heißesten Bereich bereits heute zwischen 1000 und 1100⁰C liegen. Wird nun ein Abschaltvorgang durch Einfahren von Absorberstäben in den Reaktorkern eingeleitet, so wird zwar die durch Kernspaltung erzeugte Leistung des Reaktors reduziert bzw. unterbrochen, jedoch kommt sodann die sogenannte Nachwärmeproduktion zum Tragen, die sich zusammensetzt aus einem rasch abklingenden Anteil von Spaltungswärme, erzeugt von verzögerten Neutronen, und einem über lange Zeit abklingenden Anteil von Spaltproduktzerfallsenergien. Letzterer ist zufolge der hohen Leistungsdichte insbesondere nach voraufgegangenem längerem Vollastbetrieb noch für mehrere Wochen nach dem Abschalten größer als die Wärmeleistung, die ohne wesentliche Temperatursteigerung zu vorhandenen Wärmesenken hin ohne Zwangskühlung 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

ίο ausreichende Sicherheit zu gewährleisten, ist für die Redundanz der Nachwärmeabfuhreinrichtungen ein außerordentlich hoher Aufwand erforderlich.

Zu den zuvor beschriebenen, im Ir-'.eresse der geforderten Sicherheit unerläßlichen Maßnahmen kom-

men bei diesen bekannten Abschaltverfahren noch weitere Nachteile hinzu, die sich inbesondere 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 den Reaktorkern eingefahrenen Absorberstäbe aus Sicherheitsgründen begrenzt ist, nimmt das Wiederanfahren des Reaktors eine längere Zeit in Anspruch. Außerdem verursacht das Wideraufheizen des Reaktorkerns nach seinem Herunterkühlen nicht nur einen erheblichen zusätzlichen Zeitverlust beim Wiederanfahren, sondern führt in jedem Fall auch zu nachteiligen Temperaturwechselbeanspruchungen des Kerns und seiner Einbauten.

Es sein in diesem Zusammenhang erwähnt, daß aus der Zeitschrift »Nuclear Engineering and Design«, Bd. 7 (1968), S. 360, Hochtemperatur-Kernreaktoren bekannt

sind, die zwar weitere Absorberstäbe für die Leistungsregelung und für die Kompensation der Überschußreaktivität als sogenannte Regelstäbe neben den zuvor erwähnten Absorberstäben für das Abschalten und Kaltfahren des Reaktors (Abschaltstäbe) aufweisen, die ständig im Neutronenfluß arbeiten, jedoch werden diese in der Mittelzone des Reaktorkerns in Führungsrohren eingesetzt, die einerseits im Kugelhaufen ein ständiges Hindernis darstellen und andererseits ein erhebliches konstruktives Problem hinsichtlich der Funktionsfähigkeit über eine Reaktorlebensdauer von mindestens 30 Jahren bedeuten, da sie während dieser Zeit für Reparaturen praktisch nicht zugänglich sind. Zwar werden hiermit die mechanischen Beanspruchungen herabgesetzt, die Notwendigkeit der Kühlung der Stäbe besteht jedoch auch bei dieser Lösung.

Sowohl wegen der zuvor aufgeführten Nachteile als auch aus Gründen einer möglichst geringen Temperaturbelastung werden bei anderen bekannnten Vorschlägen die Regelstäbe in einem kälteren Teil des Reaktors angeordnet, beispielsweise im Bereich der Kühlgaseintrittsseite des Reaktorkerns oder im Bereich des Seitenreflektors. Zwar ist in diesen Bereichen einerseits die Temperaturbelastung der Regelstäbe tragbar und andererseits der Neutronenfluß noch ausreichend hoch, um die für die Regelaufgabe geforderte relativ gelinge Wirksamkeit der Regelstäbe zu gewährleisten. Diese Einrichtungen sind jedoch nicht geeignet, in einfacher Weise eine vorübergehende Abschaltung zu ermöglichen, weil die Ausfahrgeschwindigkeit der Stäbe aus Sicherheitsgründen sehr niedrig ist, so daß der ganze für kurzfristig zu behebende Störfälle vorgesehene Abschaltvorgang unverhältnismäßig lange dauert.

In »Energie und Technik«, 1969, S. 350 bis 356, ist im

Rahmen eines Erfahrungsberichtes eine Störfallsimulierunp eines Versuchsreaktors mit negativem Temperaturkoeffizienten der Reaktivität beschrieben, bei der nach Abschalten der Kühlmittelzufuhr keine weitere Kühlung erfolgte. Dadurch sollte der Einfluß des Ausfalls der Kühlgasgebläse auf die Reaktorleistung untersucht werden. Das hiermit verbundene Verhalten des Reaktors in irgendeiner Weise für einen Abschaltvorgang nutzbar zu machen, kann aus diesem Bericht in keiner Weise geschlossen werden, da im Rahmen der dort beschriebenen Störfallsimulierung der Reaktor nicht abgeschaltet, sondern die Leistung lediglich reduziert wurde.

Ausgehend von dem aus der zuvor diskutierten Literaturstelle bekannten Stand der Technik liegt der «5 Erfindung die Aufgabe zugrunde, diesen Stand der Technik so weiterzubilden, daß eine vorübergehende, inhärent sichere Abschaltung eines Hochtemperatur-Kernreaktors ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nach Ansteigen *> der mittleren Reaktorkerntemperatur die Nachwärmeabfuhr derart dosiert wird, daß die mittlere Reaktorkerntemperatur vorübergehend auf einem erhöhten Niveau gehalten wird.

Mit diesem Vorschlag, bei dem er negative Temperaturkoeffizient der Reaktivität als maßgebliche Einflußgröße in den Abschaltvorgang eingebaut wird, d. h. durch die Erhöhung der mittleren Reaktorkern-Temperatur eine negative Reaktivität erreicht und somit im Reaktor — abgesehen von dem Einfluß der verzögerten Neutronen — keine Leistung durch Spaltung mehr erzeugt wird, ergibt sich für den erfindungsgemäßen Abschaltvorgang insofern eine überraschend einfache Ausführbarkeit, als das Aufheizen des Reakiorkerns mittels der Nachwärme erfolgt. Insbesondere ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Vorteil verbunden, daß die Stäbe geschont werden und damit ihre Lebensdauer erheblich erhöht wird.

Da, wie eingangs erwähnt, die Nachwiirmeproduktion nicht schlagartig abfällt sondern über längere Zeit abklingt, ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gewährleistet, daß das erhöhte Temperaturniveau in einfacher Weise über den für das vorübergehende Abschalten erforderlichen Zeitraum gehalten werden kann, wobei Nachwärme lediglich in dem Umfang abzuführen ist, als sie zur Erhöhung der Temperatur über die gewünschte mittlere Reaktorkern-Temperatur hinausführen würde.

Liegt z. B. bei einem 300-MWei-Kugelhaufen-Reaktor die mittlere Reaktorkern-Temperatur 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 χ 10-V⁰C eine Unterkritikalität von 5 χ 10-\ Damit ist der Reaktor ohne Einbringen von Absorberstäben lediglich durch Unterbrechen der Leistungsabfuhr, d. h. der Reaktorkern-Kühlung, beispielsweise durch Abschalten der Kühlgasgebläse, um den genannten Betrag unterkritisch, wobei die Nachwärmeprodukliion im Zusammenhang mit dem negativen Temperaturkoeffizienten das erfindungsgemäße Verfahren inhärent sicher macht.

Eine Erhöhung der mittleren Reaktorkern-Temperal:ur — z. B. 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 1250⁰C beträgt. Wird nun der Reaktor in der erfindungsgemäßen Weise vorübergehend abgeschaltet, so ist damit zwar eine Erhöhung der mittleren Reaktorkern-Temperatur verbunden, jedoch steigt auf Grund der unterbrochenen Leistung die maximale Brennstofftemperatur allenfalls kurzzeitig unwesentlich an.

Es stellt sich also zwangiäufig ein Temperaturausgleich im Reaktorkern ein, so daß beim Übergang von Leistungsproduktion zur Nachwärmeabfuhr sich der in den Brennelementen thermische Spannungen hervorrufende Temperaturgradient in vorteilhafter Weise verringert. Je nach den Erfordernissen beim vorübergehenden Abschalten kann das Dosieren der Nachwärmeabfuhr auch intermittierend erfolgen, wobei in vorteilhafter Weise die Möglichkeit gegeben ist, die jeweils verwendeten Wärmeabfuhreinrichtungen z. B. mit konstanter Drehzahl und mit entsprechend der notwendigen Wärmeabfuhr unterschiedlicher Zeitdauer zu betreiben.

Vorzugsweise wird mit der dosierten Nachwärmeabfuhr ungefähr 5 bis 20 Minuten nach der Verminderung der Kühlmittelzufuhr begonnen.

Somit bietet das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber bisher bekannten Vorschlägen in vieler Hinsicht erhebliche Vorteile. Abgesehen davon, daß es auf Grund de. physikalischen Zusammenhänge nicht nur inhärent sicher ist, werden die Abschaltstäbe auch keinerlei Temperaturbeanspruchungen unterworfen, da sie in ausgefahrener Position verbleiben. Darüber hinaus werden bei den vorgeschlagenen, vorübergehenden 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 vermindert werden.

Die dosierte Nachwärmeabfuhr kann entweder mittels getrennter Wärmeabfuhreinrichtungen durchgeführt werden oder auch mittels der Leistungsabfuhreinrichtungen selbst erreicht werden, indem letztere auf reduzierter Leistung gefahren werden, so daß in diesem Fall zusätzliche bzw. gesonderte Nachwärmeabfuhreinrichtungen nicht erforderlich sind. Da das Abschalten der Leistungsabfuhr mittels Gebläse und/oder Absperrorgane durchgeführt wird und somit eine Maßnahme darstellt, die ohne nennenswerte Verzögerung durchgeführt werden kann, gibt das erfindungsgemäße Verfahren in jedem Fall die Möglichkeit, entweder bei Störungen unverzüglich zu reagieren oder willkürlich ein schnelles, betrieblich beabsichtigtes vorübergehendes Abschalten ohne Vorliegen einer Störung einzuleiten, ohne daß damit die eingangs im Zusammenhang mit dem Einfahren von Abschaltstäben aufgezeigten Nachteile verbunden sind.

Ein entscheidender Vorteil des erfindungsgemäßen 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 Abschaitstäbe die Nachwärmeabfuhr nur verzögert in Betrieb kommt oder während der ersten Minuten ausfällt, befindet sich der Reaktorkern nicht

nur auf einem noch hohen Temperaturniveau, sondern die in dieser ersten Zeit relativ hohe Nachwärmeproduktion heizt den Reaktorkern darüber hinaus schnell weiter auf, so daß nur wenig Zeit verbleibt, redundante Einrichtungen zur N ach wärmeabfuhr für den Schutz der Abschaltstäbe in Betrieb zu ntflmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet diese aus hohem Temperaturniveau und gleichzeitig relativ hoher Aufheizgeschwindigkeit resultierende Gefährdung der Abschaltstäbe und gibt, da die Abschaltstäbe ausgefahren bleiben, bei verzögerter Einschaltung oder bei Ausfall der Nachwänneabfuhr ausreichend Zeit, um andere auf Grund der Redundanz vorhandene Ein-ichtungen zur Nachwärmeabfuhr in Betrieb zu nehmen.

Mit den erfindungsgemäßen Verfahrensschritten wird somit die Möglichkeit gegeben, das z. B. bei kleineren, kurzfristig zu behebenden Störungen erforderliche vorübergehende Abschalten in überraschend einfacher Weise durchzuführen, insbesondere ohne die Notwendigkeit des Kaltfahrens des Reaktors.

Claims (2)

22 17316 Patentansprüche:

1. Verfahren zum vorübergehenden Abschalten eines Hochtempera.ür-Kernreaktors mit negativem Temperaturkoeffizienten der Reaktivität, bei dem die Kühlmittelzufuhr vermindert und damit der Reaktor unterkritisch wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach Ansteigen der mittleren Reaktorkern-Temperatur die Nachwärmeabfuhr derart dosiert wird, daß die mittlere Reaktorkern-Temperatur vorübergehend auf einem erhöhten Niveau gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der dosierten Nachwärmeabfuhr ungefähr 5 bis 20 Minuten nach der Verminderung der Kühlmittelzufuhr begonnen wird.