DE2264947A1 - Verfahren zum langzeitabschalten eines hochtemperatur-kernreaktors - Google Patents

Description

Dipl.-lng. H. Sauerland · Dr -ing. R. König · Dipl.-lng. K. Bergen Patentanwälte · 4ood Düsseldorf 30 · Cecilienallee 7s · Telefon 432733

24. April 1975 P 22 64 947.4 29 783 B

Hochtemperatur-Kernkraftwerk G_em„b_eH. (HKG) Gemeinsames Europäisches Unternehmen 4701 Uentrop (

"Verfahren zum Langzeitabschalten eines Hochtemperatur-Kernreaktors"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Langzeitabschalten eines Hochtemperatur-Kernreaktors mit negativem Temperaturkoeffizienten der Reaktivität, in dessen Verlauf die Kühlmittelzufuhr vermindert wird«,

Unter dem sogenannten "Langzeitabschalten" wird hier das Abschalten mit nachfolgendem Kaltfahren eines Kernreaktors verstanden, bei dem der Reaktorkern vom Betriebs-, d.h. Leistungszustand ausgehend kaltgefahren 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 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 (Reaktorjschutz) in den Reaktorkern eingebracht werden.

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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 Neutronenabsörbern in flüssiger oder gasförmiger Form, wobei sich der Aggregatzustand in aller Regel 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 Absorberstäbe in den Reaktorkern selbst eingefahren werden müssen, dessen Betriebstemperaturen im heißesten Bereioh 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 Abschalt stäbe unzulässig hohen Temperaturen aussetzen, so daß zur Vermeidung einer Zerstö-

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rung 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.

Is sei in diesem Zusammenhang erwähnt, daß aus der Zeitschrift "Nuclear Engineering and Design", Band 7 (1968) Seite 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 Punktionsfähigkeit über eine Reaktorlebensdauer von mindestens 30 Jahren bedeuten, da sie während dieser Zeit 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 bekannten 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

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die Regelaufgabe geforderte Wirksamkeit der Regelstäbe zu gewährleisten. Der relativ geringe Reaktivitätsbeitrag dieser Regelstäbe reicht jedoch nicht aus, um mit ihrer Hilfe ein Langzeitabschalten durchzuführen, d.h. den Reaktor über das Abschalten hinaus auoh kaltzufahren. Der Reaktivitätsbeitrag der Regelstäbe beträgt z.B. bei einem 300 MW_el-Kugelhaufen-Reaktor bei im Seitenreflektor angeordneten Regelstäben insgesamt ca. A. k/k = 4%, während für den ksifc-unterkritischen Zustand dieses Kugelhaufen-Reaktors eine Gesamtreaktivitätsbindung der in das Core eintauchenden Abschaltstäbe von ca. Δ k/k = 18% vorzusehen ist. Daraus wird deutlich, daß lediglich mit den an und für sich hinsichtlich der Temperaturbelastung günstig angeordneten Regelstäben ein Langzeitabschalten des Reaktors nicht möglich ist.

In "Energie und Technik", 1969, Seiten 350 bis 356 ist im Rahmen eines Erfahrungsberichtes eine Störfallsimulierung 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 Erfindung die Aufgabe zugrunde, diesen Stand der Technik so weiterzubilden, daß ein inhärent sicher eingeleitetes

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Langzeitabschalten eines Hochtemperatur-Kernreaktors ermöglicht wird, das die vorerwähnten Nachteile bekannter Verfahren nicht aufweist und insbesondere zu einer Schonung und damit Lebensdauererhöhung der Stäbe führt. Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf dem Gedanken, den negativen Temperaturkoeffizienten der Reaktivität als maßgebliche Einflußgröße in den Abschaltvorgang einzubauen und wird erfindungsgemäß dadurch realisiert, daß die Leistungsabfuhr abgeschaltet, danach durch dosierte Nachwärmeabfuhr vorübergehend ein erhöhtes Niveau der mittleren Reaktorkern-Temperatur eingestellt wird und während der dosierten Nachwärmeabfuhr mindestens einige der Regelstäbe oder mindestens einige der dann als Regelstäbe einsetzbaren Abschaltstäbe in den Reaktorkern eingefahren werden und sodann die Nachwärmeabfuhr gesteigert wird«

Die Erfindung stellt somit eine vorteilhafte Kombination von Maßnahmen dar, bei der das Abschalten unter Ausnutzung des negativen Temperaturkoeffizienten der Reaktivität mittels dosierter Nachwärmeabfuhr inhärent sicher eingeleitet und der Reaktor durch späteres schrittweises Einfahren der Abschaltstäbe und dabei erfolgendes Steigern der Nachwärmeabfuhr in schonender Weise kaltgefahren werden kann. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen, bei denen durch die vorübergehende Erhöhung der mittleren Reaktorkern-Temperatur eine negative Reaktivität erreicht und somit im Reaktor - abgesehen von dem Einfluß der verzögerten Neutronen - dann keine Leistung durch Spaltung mehr erzeugt wird, ergibt sich für die Einleitung des Abschaltvorgangs insofern eine überraschend einfache Ausführbarkeit, als das Aufheizen des Reaktorkerns mittels der NMchwärme erfolgt, nachdem die Leistungsabfuhr unterbrochen' ist.

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Zwar werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens die Stäbe in das heiße Core eingefahren, jedoch zu einem Zeitpunkt, in dem die anfallende Zerfallswärme nicht mehr zum Tragen kommt und damit eine Aufheizung des Reaktorkerns bei Ausfall der Nachwärmeabfuhr nur langsam erfolgen kann, so daß in einem derartigen Störfall genügend Zeit gegeben ist, um gegebenenfalls die Stäbe zu ihrem Schutz in ihre Ausgangsposition zurückzufahren. Damit bedeuten die vorgeschlagenen Maßnahmen nicht nur ein sehr sicheres Verfahren, sondern sie tragen auch erheblich zur Schonung der Stäbe bei. Die nach Einfahren der Regelstäbe erfindungsgemäß erfolgende Steigerung der Nachwärmeabfuhr, wodurch die mittlere Reaktorkern-Temperatur abgesenkt wird - bei eingefahrenen Regelstäben liegt die mittlere Temperatur für den kritischen Zustand niedriger - führt darüber hinaus zu dem erheblichen Vorteil, daß die Abschaltstäbe bei bereits laufender Nachwärmeabfuhr und bei einem unter der Betriebstemperatur liegenden niedrigeren Temperaturniveau in dadurch für sie schonender Weise eingefahren werden können. Die Erfindung vermeidet somit die bei bekannten Verfahren gegebene, aus hohem Temperaturniveau und gleichzeitig hoher Aufheizgeschwindigkeit resultierende Gefährdung der Abschaltstäbe, da zumindest die erste Phase der hohen Nachwärmeproduktion bei ausgefahrenen Absohaltstäben verläuft» Letztere brauchen erst dann eingefahren zu werden, wenn die mittlere Coretemperatur unter das betriebliche Temperaturniveau abgesenkt worden ist und die Nachwärmeproduktion entsprechend ihrem zeitlichen Verlauf bereits ein erheblich niedrigeres Maß erreicht hat. So ist dieser Wert im ungünstigsten Falle bereits nach 5 Minuten auf ungefähr die Hälfte des Anfangswerts abgesunken und beträgt nach 30 Minuten nuf noch ca. ein Drittel des Anfangswertes.

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Es sei an dieser Stelle erwähnt, daß es auch möglich ist, anstelle der Regelstäbe zumindest einige der Abschaltstäbe als Regelstäbe zu benutzen.

Wenngleich im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Langzeitabschalten vorübergehend eine Erhöhung der mittleren Reaktorkern-Temperatur stattfindet - bei einem 300 MW_el-Kugelhaufen-Reaktor beispielsweise um 250⁰C so bedeutet dies jedoch für die Brennelemente keineswegs eine besondere Belastung, da die mittlere Temperatur im Brennstoff bei Vollast im angegebenen Beispiel bei etwa 680⁰C liegt, während die maximale Temperatur im Brennstoff 1250⁰C beträgt. Wird nun der Reaktor in der erfindungsgemäßen Weise abgeschaltet, so stellt sich zwangsläufig 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.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet somit gegenüber bisher bekannten Vorschlägen in vieler Hinsicht erhebliche Vorteile. Abgesehen davon, daß es aufgrund der phydikalischen Zusammenhänge nicht nur überaus sicher ist, vermeidet es, wie bereits erwähnt, die Gefährdung der Abschaltstäbe, da die erste Phase der hohen Nachwärmeprodukte bei ausgefahrenen Abschaltstäben verläuft.

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_o gesonderte Nachwärmeabfuhreinrichtungen nicht erforderlich sind. Bei Störungen, die

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eine Langzeitabschaltung erfordern, ist das erfindungsgemäße Verfahren darüber hinaus deshalb von Vorteil, weil das Abschalten der Leistungsabfuhr mittels Gebläsen und/oder Absperrorganen durchgeführt wird und somit eine Maßnahme darstellt, die ohne nennenswerte Verzögerung durchgeführt werden kann.

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 Abschaltstäbe 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 Nachwärmeabfuhr für den Schutz der Abschaltstäbe in Betrieb zu nehmen.

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   Hochtemperatur-Kernkraftwerk G.m.b.H. (HKG)

   Gemeinsames Europäisches Unternehmen

   4701 Uentrop (Unna)

   Patentanspruch:

   Verfahren zum Langzeitabschalten eines Hochtemperatur-Kernreaktors mit negativem Temperaturkoeffizienten der Reaktivität, in dessen Verlauf die Kühlmittelzufuhr vermindert wird, dadurch gekennzeichnet , daß die Leistungsabfuhr abgeschaltet, danach durch dosierte Nachwärmeabfuhr vorübergehend ein erhöhtes Niveau der mittleren Reaktorkern-Temperatur eingestellt wird und während der dosierten Nachwärmeabfuhr mindestens einige der Regelstäbe oder mindestens einige der dann als Regelstäbe einsetzbaren Abschaltstäbe in den Reaktorkern eingefahren werden und sodann die Nachwärmeabfuhr gesteigert wird₀

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