DE2325828B2

DE2325828B2 - Verfahren zur Beeinflussung der Reaktivität eines gasgekühlten Kernreaktors

Info

Publication number: DE2325828B2
Application number: DE2325828A
Authority: DE
Inventors: Claus-Benedict V.D. Dr. 5122 Kohlscheid Decken; Dipl.-Phys. Dr. Hans-Jürgen 6834 Ketsch Hantke; Dipl.-Ing. Dr. Walter 6800 Mannheim Stürmer
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1973-05-22
Filing date: 1973-05-22
Publication date: 1981-04-30
Also published as: GB1442525A; JPS579040B2; FR2288375B1; US4372912A; DE2325828A1; JPS5052492A; DE2325828C3; FR2288375A1

Description

liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberkugeln unterschiedliche Durchmesser aufweisen.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung der Reaktivität eines gasgekühlten Kernreaktors, dessen Kern aus einer Schüttung von Brennstoffkugeln gleichen Durchmessers D besteht, bei welchem Verfahren neutronenabsorbierende Kugeln mit einem Durchmesser d<D in die Schüttung eingebracht werden, wobei die Zugabe der Kugeln von oben erfolgt und die Kugeln nach unten aus der Schüttung abgezogen wsrden. Ein derartiges Verfahren ist aus der französischen Patentschrift 80 481 (l^re Addition) bekannt.

Die Größe der Absorberkugeln wird bei dem bekannten Verfahren so gewählt, daß sie die eigentliche Kugelschüttung nahezu ungehindert durchsetzen können; hierzu wird angegeben, daß ihr Durchmesser kleiner als das O,15fache des Durchmessers der Brennstoffkugeln sein muß.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß neutronenabsorbierende Kugeln dieser Größe zwar den gewünschten Effekt zeigen und aufgrund ihrer Schwere in die Kugelschüttung eindringen, daß die Kugeln aber wegen ihrer geringen Abmessungen durch die Kugelschüttung »hindurchfließen«, ohne steckenzubleibein, und sich am Boden des Reaktorbehälters sammeln. Das 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.

In der US-Patentschrift 35 65 762 wird ein kugelförmiges Absorberelement zur Beeinflussung der Reaktivität eines gasgekühken Kernreaktors, beschrieben, das etwa den gleichen Durchmesser wie die kugelförmigen Brennelemente aufweist. Absorberelemente solcher Größe können nur dann in eine Kugelschüttung eindringen, wenn die Schiittung umgewälzt wird. Dies nimmt jedoch so viel Zeit in Anspruch, daß eine Reihe von Regel- und Abschaltvorgängen mit den bekannten Absorberelementen nicht durchgeführt werden kann.

Von dem geschilderten Stand der Technik ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, gemäß dem eingangs beschriebenen Verfahren verwendete Absorberkugeln so auszugestalten, daß das Verfahren für alle

-, beim Betrieb eines Kernreaktors mit aus Brennstoffkugeln aufgeschüttetem Kern auftretenden Regel- und Abschaltprobleme anwendbar ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Durchmesser der Absorberkugeln

ίο zwischen

und

liegt.
Die Erfindung basiert auf der Überlegung, daß der Füllfaktor / eines Kugelhaufens, der in einer statistischen Schiittung etwa 0,6 beträgt, zwischen dem der dichtesten Kugelpackung entsprechenden Wert von /«0,74 und dem in einer kubischen Packung vorliegenden Wert von /«0,52 schwankt. Der kleinste zwischen

r> den aneinander liegenden Kugeln jeder Schicht vorhandene Hohlraum variiert daher in seiner Größe zwischen einem Maximaiwert in einer kubischen Packung (wenn eventuell auftretende Brückenbildung vernachlässigt wird) und einem Minimalwert in der dichtesten

jo Packung. So beträgt z. B. der Durchmesser d, der größtmöglichen Kugel, die gerade noch zwischen drei sich berührende Kugeln in der dichtesten Packung Platz findet,

Die verschieden großen Hohlräume sind statistisch in der Kugelschüttung verteilt, und es ist daher möglich,

κι 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

4·-, Absorberkugeln an den Stellen der dichtesten Kugelpackung hängenbleiben und an den Stellen mit einer geringeren Packungsdichte durchrollen. Die Kugelschüttung wirkt also wie ein Sieb, das die Kugeln an einigen Stellen — an den Stellen der dichtesten Packung

V) — zurückhält und sie an den anderen Stellen — denjenigen mit größeren Hohlräumen — durchfließen läßt.

Wie bereits erwähnt, können die Absorberkugeln von einer bestimmten Größe ab nicht mehr in eine stehende

-,<-, Kugelschüttung eindringen. Nur durch Umwälzen der Kugelschüttung kann das Eintreten von Kugeln, deren Durchmesser über diese bestimmte Größe hinausgeht, und deren Durchlaufen bewirkt werden. Diese obere Durchmessergrenze entspricht dem Durchmesser der

bo größtmöglichen Kugel, die gerade noch durch eine kubische Packung hindurchlaufen kann. Sie ist durch den Ausdruck(i/2-l) · Dgegeben.

Bei der folgenden Überlegung wird davon ausgegangen, daß der mittlere Füllfaktor von 0,6 sich über die

ho 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 Kugelschüt-

tung (ζ. B. alle 6 cm) ein Teil der Absorberkugein mit einem Durchmesser gemäß der Erfindung in dieser Schicht festgehalten. Von N eingeworfenen Kugeln bleiben ΔΝ Kugeln pro Schicht hängen. Insgesamt nimmt dann die Absorberkugelmenge Λ/um den Betrag ΔΝ ab. In die nächste Schicht dringen daher nur noch Ν—ΔΝ Kugeln ein. Wird also der Durchmesser d so gewählt, daß in der ersten Hälfte der Schüttung die Hälfte der zugegebenen Kugeln hängenbleibt, so wird 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 Absorberku- ι ^r> geln läßt sich also erreichen, daß in der oberen Hälfte der Kugelschüttung, die mehr Reaktivität enthält, auch mehr Absorberkugein stecken bleiben.

Der Fachmann hat es also in der Hand, durch Auswahl eines geeigneten Durchmessers die Verteilung >o der Absorberkugein in der Kugelschüttung und somit die Neutronenflußverteilungzu beeinflussen.

Eine vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht daher darin, durch eine gezielte Zugabe von Absorberkugeln verschiedenen Durchmes- r> sers in bestimmten Zonen des Reaktorkerns unterschiedliche Reaktivitätsänderungen hervorzurufen. So können z. B. Absorberkugeln eines speziellen Durchmessers in die Innenzone des Reaktorkerns eingebracht werden, um hier gegenüber den Randzonen beschleu- )< > nigte Reaktivitätsänderungen für bestimmte Betriebsvorgänge zu bewirken oder auch eine bestimmte Neutronenflußverteilung zu erzielen.

Die Zugabe der Absorberkugeln erfolgt in an sich bekannter Weise von oben durch ein Zugaberohr, r> während das Abziehen der Absorberkugein aus dem Reaktorkern nach unten durch Umwälzen der Schüttung der Brennstoffkugeln vorgenommen wird. Dabei bewegen sich die Absorberkugeln einmal mit der Umwälzgeschwindigkeit und zum anderen mit einer w zusätzlichen Fließgeschwindigkeii durch den -Reaktorkern, so daß sie schon nach kurzer Zeit wieder aus der Kugelschüttung herausfallen. Die zusätzliche Fließgeschwindigkeit kommt dadurch zustande, daß sich die Brennstoffkugeln beim Umwälzvorgang umordnen, wobei die in dichtester Packung befindlichen Kugeln in eine weniger dichte Packung übergehen und umgekehrt.

Für den weiteren Transport der Absorberkugeln bieten sich zwei Möglichkeiten an. Entweder werden die Absorberkugeln in an sich bekannter Weise mit den Brennstoffkugeln zusammen durch das Kugelabzugsrohr geführt und gelangen in eine an dieses anschließende »SchrottÄabscheidevorrichtung, in der sie von den Brennstoffkugeln getrennt werden. 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 Absorberkugein werden also bereits hier von den Brennstoffkugeln getrennt. Besondere mechanische Apparaturen für das Abziehen der Absorberkugeln aus der Schüttung sind dann 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 Brennstoffkugehi einen Durchmesser D von 6 cm, so läßt sich in der dichtesten Kugelpackung zwischen drei sich berührenden Brennstoffkugeln gerade noch eine Kugel mit einem Durchmesser von etwa 0,9 cm unterbringen. (Der genaue Wert ist 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 Absorberkugein auch bei Durchmessergleichheit zumindest zeitweilig in der dichtesten Packung hängenbleiben). Ihr Durchmesser darf aber auch nicht größer sein als (l/2-l) · D; so ergibt sich als obere Grenze für den Durchmesser ca. 2,5 cm.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Beeinflussung der Reaktivität eines gasgekühken Kernreaktors, dessen Kern aus einer Schüttung von Brennstoffkugeln gleichen Durchmessers D besteht, bei welchem Verfahren neutronenabsorbierende Kugeln mit einem Durchmesser d< D in die Schüttung eingebracht werden, wobei die Zugabe der Kugeln von oben erfolgt und die Kugeln nach unten aus der Schüttung abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser rfder Absorberkugeln zwischen

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und

(Vr-I)-D