DE2325828A1

DE2325828A1 - Verfahren zur beeinflussung der reaktivitaet eines gasgekuehlten kernreaktors

Info

Publication number: DE2325828A1
Application number: DE2325828A
Authority: DE
Inventors: Claus-Benedict V D Dr Decken; Hans-Juergen Dipl Phys Hantke; Walter Dipl Ing Dr Stuermer
Original assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH; Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH; Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Priority date: 1973-05-22
Filing date: 1973-05-22
Publication date: 1974-12-19
Also published as: GB1442525A; JPS579040B2; DE2325828C3; DE2325828B2; US4372912A; FR2288375B1; JPS5052492A; FR2288375A1

Description

Mannheim, den 30. April 1973 7205

HOCHTEMPERATUR^{1 1}K^⁷¹BMJ GmbH

5 Köln 1
Zeppelinstraße 15

KERNFORSCHUNGSANLAGE JÜLICH GmbH 517O Juli ch

Verfahren zur Beeinflussung der Reaktivität eines gasgekühlten Kernreaktors

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung der Reaktivität eines gasgekühlten Kernreaktors, dessen Kern aus einer Schüttung von Brennstoffkugeln gleichen Durchmessers besteht, die nach unten atis der Schüttung abgezogen und gegebenenfalls je nach ihrem Abbrandgrad der Schüttung von oben wieder zugegeben werden.

Es ist üblich, zum Steuern von Kernreaktoren mit einer Schüttung von Brennstoffkugeln Absorberstäbe zu verwenden, die entweder im Reflektor angeordnet sind oder die direkt in die Schüttung eingefahren we-^don. Das letztgenannte Verfahren ist beispielsweise in der deutschen Patentschrift 1 263 939 und der Auslegeschrift 2 136 Ί03 beschrieben. Zur Bedienung dieser Absorberstäbe sind besondere Antriebssysteme erforderlich, die ein exaktes Einfallen, optimales Abbremsen und sicheres Herausziehen der Stäbe gewährleisten müssen, und die Brennstoffkugeln sowie die den Reaktorkern umgebende Behälterwand sind durch die Absorberstäbe mechanischen Belastungen ausgesetzt.

409851/0416

Ausgehend von dom geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren zur Abschaltung von Kugelhaufenreaktoren anzugeben, das für alle beim Betrieb eines Kernreaktors auftretenden Regel- und Steuerungsprobleme verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß aus Absorbermaterial bestehende Kugeln mit einem kleineren Durchmesser als der Durchmesser D der Brennstoffkugeln in die Schüttung eingebracht werden, wobei ihr Durchmesser d. d Z₁ d ^.

A. Lj ~ A.

d„ + Xd_n, ist, vorzugsweise d„^Ld.^d + xd , wenn L s „Z ,. /> A JU L

d„ = D(^=J - i) ist und den Durchmesser der größtmöglichen Kugel bedeutet, die sich in der dichtesten Kugelpackung zwischen drei sich berührenden Brennstoffkugeln unterbringen läßt, und wenn d + xd = Ώ(γ2^Τ) ist.

Aus der französischen Patentschrift 80 48i"ist zwar bereits ein Verfahren zur Durchführung von Kernreaktionen in einem Brutreaktor bekanntgeworden, dessen Kern aus einer losen Aufschüttung von Brennstoff- und Brutstoffkugeln gleichen Durchmessers besteht und dem zusätzlich Moderatorformkörper in Kugelgestalt beigegeben werden können, die wesentlich kleiner als die Brenn- und Brutstoffkugeln sind. Neben diesen Formkörpern aus Moderatormaterial können auch weitere Formkörper aus Absorbermaterial zur Regelung oder Abschaltung des Reaktors in den Kern eingeschüttet werden, die ebenfalls Kugelgestalt und den gleichen Durchmesser wie die Moderatorformkörper besitzen. Die Größe der zuzugebenden Kugeln wird dabei so gewählt, daß sie den eigentlichen Kugelhaufen nahezu ungehindert durchsetzen können; hierzu wird angegeben, daß ihr Durchmesser kleiner als das 0,15-fa^che des Durchmessers der Brenn- und Brutstoffkugeln sein muß. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß Kugeln dieser Größe zwar den gewünschten Effekt zeigen und auf Grund ihrer Schwere in die Kugelschüttung eindringen, daß die Kugeln aber wegen ihrer geringen. Abmessungen durch die Kugelschüttung "hindurchfließen", ohne stecken zu blei-

409851 /0416 _ ₃ _

ben, und sich auf dem Boden des Reaktorkerns sammeln. Das aus der genannten Patentanmeldung bekannte Verfahren ist daher nur für Schnellabschaltungen anwendbar. Um die Reaktivität des Kernreaktors nicht nur kurzfristig beeinflussen zu können, ist es jedoch notwendig, daß die Absorberkugeln während des Regelvorganges für eine gewisse Zeit gleichmäßig über die gesamte Höhe des Reaktorkerns verteilt gehalten werden.

Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, daß der Füllfaktor f eines Kugelhaufens, der in einer statistischen Schütt-ung etwa 0,6 beträgt, zwischen dem der dichtesten Kugelpackung entsprechenden Wert von F*=* 0,7^ und dem in einer kubischen Packung vorliegenden Wert von f<«O,j52 schwankt. Der kleinste zwischen den aneinanderliegenden Kugeln jeder Schicht vorhandene Hohlraum ,jrariiert daher in seiner Größe zwischen einem Maximalwert in einer kubischen Packung (wenn eventuell auftretende Brückenbildung vernachlässigt wird) und einem Minimalwert in der dichtesten Packung. So beträgt z.B. der Durchmesser d„ der größtmöglichen Kugel, die gerade noch zwischen drei sich berührenden Kugeln in der dichtesten Packung Platz findet, d_«s0,9 cm, wenn die Kugeln einen Durchmesser von 6 cm besitzen. Der Wert von ä_ läßt sich in Abhängigkeit vom Durchmesser D der Brennstoffkugeln nach der Formel d„ = D Jv - X\ berechnen. Die verschieden großen Hohlräume sind statistisch in der Kugelschüttung verteilt, und es ist daher möglich, durch die richtige Auswahl des Durchmessers der Absorberkugeln diese statistisch verteilt in verschiedene Tiefen der Kugelschüttung eindringen zu lassen.

Der Durchmesser d der Absorberkugeln darf also einen bestimmten Wert nicht unterschreiten, damit die Absorberkugeln an den Stellen der dichtesten Kugelpackung hängenbleiben und an den Stellen mit einer geringeren Packungsdichte durchrol-

40 9 851/0 4 16

len. Die Kugelschüttung wirkt also wie ein Sieb, das die Kugeln an einigen Stellen - an den Stellen der dichtesten Packung - zurückhält und sie an den anderen Stellen - denjenigen mit größeren Hohlräumen - durchfließen läßt.

Die obere Grenze für den Durchmesser d. der Absorberkugeln ist durch den Ausdrtick d„ + xd gegeben, da von einer bestimmten Größe ab die Absorberkugeln nicht mehr in eine stehende Kugelschüttung eindringen. Nur durch Umwälzen der Kugelschüttung kann das Eintreten von Kugeln, deren Durchmesser größer als d„ + xd ist, in die Schüttung und das Dtirchlaufen der Schüttung bewirkt werden. Der Wert von χ in dem Ausdruck d + xd₇ läßt sich aus der Gleichung d + xd = D (V2-I) berechnen. Diese obere Durchniessergrenze entspricht dem Durchmesser der größtmöglichen Kugel, die gerade noch durch eine kubische Packung h.i-nd.urchlaufen kann.

Bei der folgenden Überlegung wird davon ausgegangen, daß der mittlere Füllfaktor von 0,6 sich über die Kugelschüttung nicht wesentlich ändert, (in Wirklichkeit ist die Dichte in den unteren Regionen etwas größer, was aber hier außer Betracht bleiben kann.)Wie bereits beschrieben, wird pro Schicht der Kugelschüttung (z.B. alle 6 cm) ein Teil der Absorberkugeln mit einem Durchmesser gemäß der Erfindung in dieser Schicht festgehalten. Von N eingeworfenen Kugeln bleiben iS. N Kugeln pro Schicht hängen. Insgesamt nimmt dann die Absorberkugelmenge N um den Betrag AN ab. In die nächste Schicht dringen daher nur noch N-^N Kugeln ein. Wird also der Durchmesser d. so gewählt, daß in der ersten Hälfte der Schüttung die Hälfte der zugegebenen Kugeln hängenbleibt, so wi i'd in der zweiten Hälfte der Schüttung wiederum unter den gegebenen Voraussetzungen die Hälfte der eingedrungenen Kugeln hängenbleiben. Daher treten nur noch 25$ der eingeschütteten Absorberkugeln aus dem Reaktorkern aus. Durch die richtige Auswahl des Durchmessers d der Absorberkugeln läßt

409851/0416 . -

sich also erreichen, daß in der oberen Hälfte der Kugelschüttung, die mehr Reaktivität enthält, auch mehr Absorberkugeln stecken bleiben. Bei Wahl des Durchmessers d.^> d + xd werden in dem einen Extremfall 100$ der Kugeln

A Zi Zi

in den oberen Schichten der Schüttung festgehalten, während bei Wahl des Kugeldurchmessern d. <£ d_ im anderen Extremfall die Absorberkugeln nahezu ungehindert die Schüttung durchfließen. Diese beiden Extremfälle sind bei der vorliegenden Erfindung ausgeschlossen.

Der Fachmann hat es also in der Hand, durch Auswahl eines geeigneten Durchmessers der Absorberkugeln ihre Durchlaufgeschwindigkeit festzulegen; darüber hinaus läßt sich aber auch die Verteilung der Absorberkugeln in der Kugelschüttung beeinflussen und somit die Neutronenflußverteilung.

Eine vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht daher darin, durch eine gezielte Zugabe von Absorberkugeln verschiedenen Durchmessers oder auch verschiedener Anzahl in bestimmte Zonen des Reaktorkerns in diesen Zonen unterschiedliche Reaktivitätsänderungen hervorzurufen. So können z.B. Absorberkugeln eines speziellen Durchmessers in die Innenzone des Reaktorkerns eingebracht werden, um hier gegenüber den Randzonen beschleunigte Reaktivitätsänderungen für bestimmte Betriebsvorgänge zu bewirken oder auch eine bestimmte Neutronenflußverteilung zu erzielen.

Die Zugabe der Absorberkugeln erfolgt durch eine oder mehrere Öffnungen im Deckenreflektor des Reaktors, während das Abziehen der Absorberkugeln aus dem Reaktorkern durch Umwälzen der Schüttung der Brennstoffkugeln vorgenommen wird. Dabei werdejn die Absorberkugeln einmal mit der Umwälzgeschwindigkeit und zum anderen mit einer zusätzlichen Fließgeschwindigkeit dui'ch den Reaktorkern bewegt, so daß sie schon nach kurzer Zeit wieder aus der Kugelschüttung herausfallen. Die

40985 1/0416

zusätzliche Fließgeschwindigkeit kommt dadurch zustande, daß sich die Brennstoff kugeln beim ümwälzvorgang umordnen, wobei die in dichtester Packung befindlichen Kugeln in eine veniger dichte Packung übergehen und umgekehrt.

Für den weiteren Transport der Absorberkugeln bieten sich zwei Möglichkeiten an. Entweder werden die Absorberkugeln mit den Brennstoffkugeln zusammen durch das Kugelabzugsrohr geführt und gelangen in eine an dieses anschließende Schrottabscheidevorrichtung. In dieser Vorrichtung werden sie von den Brennstoffkugeln getrennt und entweder im Schrottsammelbehälter oder in speziellen Behältern gesammelt.

Die zweite Möglichkeit des Entfernens der Absorberkugeln aus dem Reaktorkern besteht darin, die Absorberkugeln durch die für die Kühlgasführung im Reaktorboden vorgesehenen Schlitze abzuführen, zu welchem Zweck diese entsprechend ausgebildet sein müssen. Die Absorberkugeln werden also bereits hier von den Brennstoffkugeln getrennt. Sie gelangen in den Kühlgaszuführungsraura, dessen Boden mit einer Öffnung und entsprechendem Gefälle versehen wird, so daß die Absorberkugeln in Sammelbehälter abgeleitet werden können. Besondere mechanische Apparaturen für das Abziehen der Absorberkugeln aus der Schüttung sind nicht erforderlich.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch in Verbindung mit anderen Regel- oder Abschalteinrichtungen verwenden. So können z.B. zur Regelung des Kernreaktors Absorberstäbe benutzt werden, während die Absorberkugeln zur Abschaltung des Kernreaktors herangezogen werden.

Anhand eines Zahlenspiels soll die Erfindung kurz näher erläutert werden:

Haben die die Reaktorschüttung bildenden Brennstoffkugeln einen Durchmesser D von 6 cm, so läßt sich in der dichtesten Kugelpaekung zwischen drei sich berührenden Brennstoffkugeln

409851/0416

gerade noch eine Kugel mit einem Durchmesser von etwa 0,9 cm unterbringen. Der -unaue Vert von d„ berechnet sich nach der Formel: d_z = D (Ik - ij ; für D = 6 cm ist also d_z = 0,93 cm. Um die Absorberkugeln an diesen Stellen in der Schüttung festzuhalten, müssen sie einen Durchmesser d besitzen, der nicht kleiner als 0,93 cm ist (infolge ihrer Reibung werden die Atasorberkugeln auch bei Durchmessergleichheit zumindest zeitweilig in der dichtesten Packung hängenbleiben}. Ihr Durchmesser darf aber auch nicht größer sein als d + xd„.

JL L·

Da d„ + xd = D (ΤΠ? - i) ist, ergibt sich für χ etwa der Wert 1,71 und als obere Grenze für den Durchmesser ca 2,5 cm. Dieser Durchmesserbereich stellt für die Absorberkugeln einen bevorzugten ¥ertebereich dar, da sie mit einem in diesem Bereich liegenden Durchmesser gemäß der Erfindung die Kugelschüttung teilweise durchlaufen und teilweise in ihr hängenbleiben.

09851/0416 _₈-

Claims

P -a -t - e -η t .a n. -s - ρ r ü - c -h e

Verfahren zur Beeinflussung der Reaktivität eines ga-s™ gekühlten Kernreaktors, dessen Kern aus einer Schüttung von Brennstoffkugein gleichen Durchmessers bestellt, die nach unten aus der Schüttung abgezogen und gegebenenfalls je nach ihrem Abbrandgrad der Schüttung von oben wieder zugegeben werden, dadurch gekennzeichnet, daß aus Absorbermaterial bestehende Kugeln mit einem kleineren Durchmesser als der Durchmesser D der Brennstoffkugeln in die Schüttung eingebracht werden, wobei ihr.Durchmesser d.

Z— A Z + xd_ ist, vorzugsweise' d„^E. <Cd„ + 3cd__s

wenn d = D \ψή - i) ist und den Durchmesser der größtmöglichen Kugel bedeutet, die sich in der dichtesten Kugelpackung zwischen drei sich berührenden Brennstoffk-igeln unterbringen läßt, jxna wenn d„ "+"*5cd„ = D (YH? - 1) ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet_g daß die Absorberkugeln bestimmten Zonen des Reaktorkerns in unterschiedlicher Anzahl und/oder Größe zugegeben werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1_S dadurch gekennzeichnet, daß das Abziehen der Absorberkugeln aus dem Reaktorkern durch Umwälzen der Schüttung der Brennstoffkugeln erfolgt,

h. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Reaktorkern abgezogenen Absorberkugeln zusammen mit den Brennstoffkugeln durch deren Abzugsrohr geführt, und durch eine an das Abzugsrohr anschließende Schrottabscheidevorrichtung von den Brennstoffkugeln getrennt werden.

5· Verfahren nach Anspruch 3t dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberkugeln durch im Boden des Reaktorkerns vorgesehene Schlitze für die Kühlgasführung aus der Schüttung ausgeschieden wtr((eni

409851/0416

nach. Anspruch. I₉ gekennzeichnet duTdh die Kombination mit anderen Regel- oder Abschalteinrichtungen. . .

409851/0Λ16