DE2347817A1 - NUCLEAR REACTOR WITH A BALL-SHAPED BULB-SHAPED FUEL ELEMENTS AND METHOD FOR OPERATING THIS REACTOR - Google Patents
NUCLEAR REACTOR WITH A BALL-SHAPED BULB-SHAPED FUEL ELEMENTS AND METHOD FOR OPERATING THIS REACTORInfo
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Description
Kernforschungsanlage Julien Gesellschaft mit beschränkter HaftungNuclear Research Facility Julien Limited Liability Company
Kernreaktor mit einer Schüttung kugelförmiger Brennelemente sowie Verfahren zum Betreiben dieses ReaktorsNuclear reactor with a bed of spherical fuel elements and a method for operating this reactor
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktor, bei dem mit einer Umhüllung aus Graphit gebildete, vorzugsweise Kugelform aufweisende Brennelemente von oben nach unten durch den von einem Wärmeübertragungsmittel durchströmten, im wesentlichen aus einer Schüttung der kugelförmigen Brennelemente gebildeten, von einem aus Deckenreflektor, Seitenreflektor und Bodenreflektor bestehenden Reflektor aus Graphit umgebenen Reaktorkern geschleust werden, so daß die Brennelemente nach einmaligem Durchlaufen des Reaktorkerns den gewünschten Endabbrand erreichen sowie auf ein verfahren zum Betreiben des Reaktors.The invention relates to a nuclear reactor in which, preferably spherical, formed with a casing made of graphite having fuel elements from top to bottom through the of a heat transfer medium flowed through, essentially formed from a bed of spherical fuel elements, one of the ceiling reflector, side reflector and floor reflector existing reflector made of graphite surrounded reactor core are funneled, so that the fuel assemblies after one-time Passing through the reactor core to achieve the desired final burnup as well as a method for operating the reactor.
Kernreaktoren, die kontinuierlich mit kugelförmigen Brennelementen beschickt und nach dem Abbrand vom Reaktor abgezogen werden und bei denen die Brennelemente im Reaktor als Schüttung dieser kugelförmigen Elemente vorliegen, gehören zum bekannten Stand der Technik. In derartigen, ale Kugelhaufenreaktor bezeichneten Reaktoren liegt die Schüttung der Brennelemente dabei während des Betriebes in einem zylinderförmigen Behälter vor, dessen Wände mit einer Schicht aus Graphit, deren Dicke etwa 1 m beträgt, ausgekleidet sind. Die zur Verminderung der Geschwindigkeit der bei der Spaltung des Brennstoffs freigesetzten schnellen Neutronen dienende Graphitschicht wird als Reflektor bezeichnet. Mach einer sehr vorteilhaften Betriebsweise dieses Reaktors erfolgt die Beschickung in der Weise, daß die Brennelemente bei einem einzigen Durchlauf durch den Reaktorkern ihren Zielabbrand erreiches. Dadurch ergibt sich einNuclear reactors that are continuously charged with spherical fuel elements and withdrawn from the reactor after the burn-up and in which the fuel elements are present in the reactor as a bed of these spherical elements belong to the known prior art. In such reactors, referred to as a pebble bed reactor, the bulk of the fuel elements is present during operation in a cylindrical container, the walls of which are lined with a layer of graphite, the thickness of which is approximately 1 m. The graphite layer used to reduce the speed of the fast neutrons released during the fission of the fuel is known as the reflector. In a very advantageous mode of operation of this reactor, the charging takes place in such a way that the fuel elements reach their target burnup in a single pass through the reactor core. This results in a
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über die Höhe des Reaktors von oben nach unten abfallendes Profil der Leistungsdichteverteilung. Das hat den Vorzug, daß die Wärmeübertragung an das bei dieser Betriebsweise abwärts durch den Reaktor strömende Kühlgas optimal ist. Das hat außerdem den Vorteil, daß trotz Berücksichtigung der aus verschiedenen technologischen Gesichtspunkten festzusetzenden Begrenzungen bei einer mittleren Leistungsdichte zwischen 9 und 12 MW/m eine mittlere Gasaustrittstemperatur von etwa 1OOO°C erzielbar ist.Profile of the power density distribution sloping down over the height of the reactor from top to bottom. That has the advantage that the Heat transfer to the cooling gas flowing down through the reactor in this mode of operation is optimal. That also has the Advantage that despite taking into account the limitations to be determined from various technological points of view an average power density between 9 and 12 MW / m an average gas outlet temperature of about 100 ° C can be achieved.
Nachteilig ist Jedoch, daß der Graphit des den Reaktorkern umgebenden Reflektors aufgrund der auf ihn einwirkenden schnellenHowever, it is disadvantageous that the graphite surrounding the reactor core Reflector due to the fast acting on it
5 7 Neutronen, deren Energiebereich zwischen 10 und 10 eV liegt, eine Schädigung erfährt. Mit wachsender Neutronendosis treten zunächst Schrumpfungserscheinungen auf und im Anschluß daran Schwellen und Verspröden des Graphits des Reflektors. Dieser Schädigungsvorgang vollzieht sich um so schneller, Je höher die Temperatur während der Bestrahlung ist. Um dies zu vermeiden,5 7 neutrons with an energy range between 10 and 10 eV, experiences damage. As the neutron dose increases, signs of shrinkage occur first and subsequently Swelling and embrittlement of the graphite of the reflector. This damaging process takes place the faster, the higher the Temperature during irradiation. To avoid this,
22 durfte bisher die zulässige schnelle Dosis von etwa 4,7 χ 10 cm nicht überschritten werden. Da Jedoch die zulässige Belastung der Brennelemente eine Erhöhung der mittleren Leistungs-22 was previously allowed to use the permissible rapid dose of around 4.7 χ 10 cm must not be exceeded. However, because the allowable load of the fuel elements an increase in the average power
dichte bis zu 15 MW/m zuläßt, stellt dies eine unerwünschte Begrenzung der Leistungsdichte dar. Diese Leistungsbegrenzung, bei der. also noch keine Gefährdung des Graphits des Reaktors auftritt, lag bisher bei etwa 7 bis 10 MW/m3.density of up to 15 MW / m, this represents an undesirable limitation of the power density. that is, the graphite of the reactor is not yet at risk, so far it has been around 7 to 10 MW / m 3 .
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Voraussetzung für die Möglichkeit zu schaffen,bei gleichbleibender Lebensdauer die mittlere Leistungsdichte und damit die Gesamtleistung eines - wie vorstehend angegeben - mit kugelförmigen BrennelementenThe object of the invention is therefore to create the prerequisite for the possibility of the average power density and thus the total output of a - as indicated above - with spherical fuel elements with a constant service life
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ORKSlNAL INSPECTEDORKSINAL INSPECTED
beschickten Kernreaktors zu erhöhen.to increase the charged nuclear reactor.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß es dabei darauf ankommt, in den am stärksten belasteten Bereichen des Reflektors die schnelle Dosis zu vermindern. Sie geht von der weiteren Erkenntnis aus, daß insbesondere die inneren Grenzschichten des Deckenreflektors und die oberen Teile des Seitenreflektors einer hohen Dosisbelastung ausgesetzt sind. Die Erfindung beruht ferner auf der weiteren Erkenntnis, daß die unteren Bereiche des Reflektors zwar einer geringeren Dosis ausgesetzt sind, daß dies jedoch, wenn vorgesehen ist, das den Reaktorkern durchströmende Kühlgas auf eine oberhalb von 85O°C liegende Temperatur aufzuheizen, zu einer Einschränkung der Reaktorleistung führt, wenn der Beanspruchung der verwendeten Werkstoffe infolge der hohen Temperaturen nicht hinreichend Rechnung getragen wird.The invention is based on the knowledge that there is it is important to reduce the fast dose in the most heavily loaded areas of the reflector. She goes from the further knowledge that in particular the inner boundary layers of the ceiling reflector and the upper parts of the side reflector are exposed to a high dose load. The invention is also based on the further knowledge that the lower Areas of the reflector are exposed to a lower dose, but this, if provided, the Heating the cooling gas flowing through the reactor core to a temperature above 85O ° C leads to a limitation of the reactor performance if the stressing of the used Materials is not sufficiently taken into account due to the high temperatures.
Die vorstehend bezeichnete Aufgabe wird bei einem Kernreaktor der eingangs bezeichneten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß innerhalb oder in der Nachbarschaft des der Brennelementschüttung zugewandten Teils der Wandung des Deckenreflektors und/oder des oberen Teils der Wandung des Seitenreflektors Neutronen absorbierende oder die Neutronengeschwindigkeit verringernde Stoffe vorgesehen sind. Dadurch wird erreicht, daß in den dosisgefährdeten Bereichen des Reflektors der schnelle Neutronenfluß erheblich vermindert wird. Je nachdem, in welchem Umfang die Maßnahmen gemäß der Erfindung angewendet werden, läßt sich der Neutronenfluß dadurch in in vorbezeichneter Weise begrenzten Bereichen zwischen 30 und 40 % oder im Bedarfsfalle zwischen und SO % verringern. Das hat die Wirkung, daß auch die Dosisschädigung in gleichem Maße verringert wird, so daß es ohne weiteres möglich ist, die Leistungsdichte des Reaktors entsprechend zu erhöhen.The above-mentioned object is achieved in a nuclear reactor of the type specified according to the invention in that, within or in the vicinity of the part of the wall of the ceiling reflector facing the fuel element and / or the upper part of the wall of the side reflector, substances absorbing neutrons or reducing the neutron speed are provided. This ensures that the fast neutron flux is considerably reduced in the dose-endangered areas of the reflector. Depending on the extent to which the measures according to the invention are applied, the neutron flux can thereby be reduced in the aforementioned limited ranges between 30 and 40% or, if necessary, between 50% and 50%. This has the effect that the dose damage is also reduced to the same extent, so that it is easily possible to increase the power density of the reactor accordingly.
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Eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung des Kernreaktors gemäß der Erfindung besteht darin, daß in der Wandung des Deckenreflektors und/oder im oberen Teil der Wandung des Seitenreflektors Neutronen absorbierende Stoffe, wie Bor, Hafnium oder dergleichen enthaltende beschichtete Partikeln mit einem Durchmesser von einigen 100 ,um eingelagert sind. Eine andere vorteilhafte Maßnahme, die statt dessen oder daneben anwendbar ist, besteht darin, daß in in der Wandung des Deckenreflektors und/oder im oberen Teil der Wandung des Seitenreflektors vorgesehenen Bohrungen, Hohlräumen oder dergleichen Neutronen absorbierende Stoffe, wie Bor, Hafnium oder dergleichen enthaltende Stäbe angeordnet sind. Durch die durch diese Maßnahmen erzielte erhöhte Absorption von Neutronen innerhalb des Heflektors wird - wie sich gezeigt hat im Abstand bis zu etwa 80 cm von der Wandung des Reflektors der thermische Neutronenfluß in der Kugelschüttung merklich vermindert. Das hat die Wirkung, daß infolge der damit verbundenen Herabsetzung der Spaltrate der Zustrom schneller Neutronen auf die Grenzfläche des Reflektorbereiches, in dem diese Maßnahmen durchgeführt werden, je nach Dosierung mit Neutronen absorbierenden Stoffen bis zu 80 % verringert wird. Im Bedarfsfall kann es auch zweckmäßig sein, eine Dosisentlastung im unteren Teil des Reflektors vorzunehmen, falls sehr hohe Gasaustrittstemperaturen gewünscht oder besonders dosisgefährdete Werkstoffe verwendet werden. Statt das Absorbermaterial in beschichteter Form zuzugeben, ist es selbstverständlich auch möglich, die Reflektorwandung in den angegebenen Bereichen in anderer Weise, beispielsweise in körniger Form ohne Beschichtung zu dosieren. Außer Bor und Hafnium können selbstverständlich auch andere als Absorber geeignete Stoffe, wie Mangan, Eisen, Nickel und Gadolinium verwendet werden, wobei auch dem Bedarfsfalle angepaßte Mischungen von Absorbermaterialien verwendbar sind. Dabei kann ausgenutztA very advantageous embodiment of the nuclear reactor according to Invention consists in that neutrons in the wall of the ceiling reflector and / or in the upper part of the wall of the side reflector Coated particles containing absorbent materials such as boron, hafnium or the like and having a diameter of some 100 to be stored. Another beneficial measure, which is applicable instead or in addition, consists in that in the wall of the ceiling reflector and / or in the upper Part of the wall of the side reflector provided holes, cavities or the like neutron absorbing substances, such as Rods containing boron, hafnium or the like are arranged. Due to the increased absorption of Neutrons within the yeast reflector - as has been shown at a distance of up to about 80 cm from the wall of the reflector thermal neutron flux in the pebble bed markedly reduced. That has the effect that as a result of the associated Reduction of the fission rate of the inflow of fast neutrons on the interface of the reflector area in which these measures be carried out, depending on the dosage with neutron absorbing substances is reduced by up to 80%. If necessary, it can It may also be useful to relieve the dose in the lower part of the reflector if the gas outlet temperatures are very high desired or particularly hazardous materials are used. Instead of adding the absorber material in coated form, it is of course also possible to use the reflector wall in the specified areas in a different way, for example to be dosed in granular form without coating. In addition to boron and hafnium, other absorbers can of course also be used suitable substances such as manganese, iron, nickel and gadolinium can be used, with mixtures adapted to requirements of absorber materials are usable. This can be exploited
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werden, daß diese Stoffe einen unterschiedlichen Wirkungsquerschnitt besitzen und daß die Konzentrationen von Mangan, Eisen und Nickel sich auch während eines jahrzehntelangen Reaktorbetriebs nicht wesentlich verändern. Bor, Gadolinium und Hafnium besitzen einen hohen Äbsorptionswirkungsquerschnitt. Sie brauchen daher nur in sehr geringen Konzentrationen zugegeben zu werden. Da sie Jedoch abbrennbar sind, müssen sie jeweils in Abständen von einigen Jahren erneuert werden. Die Einlagerung von Absorbermaterialien in der Reflektorwandung führt dazu, daß die Temperatur des in diesem Teil des Reflektors an der Reflektorwandung strömenden Heliums um etwa 100 bis 1500C niedriger ist als ohne Einlagerung von Neutronen absorbierendem Werkstoff in der Wandung des Reflektors. Das führt zu einer beachtlichen Steigerung der Lebensdauer des Reflektors. Durch diese Maßnahme wird die Leistungsdichte außerdem in innere Bereiche des Reaktorkerns verlagert. Dadurch wird die während der Dauer des Reaktorbetriebs auftretende akkumulierende schnelle Neutronendosis auf der Reflektorgrenzfläche vermindert. Eine weitere Maßnahme, die Leistung eines Kernreaktors mit einer Schüttung kugelförmiger Brennelemente zu erhöhen, besteht darin, daß der Reaktor von oben mit beim Durchlaufen der Schüttung der Brennelemente nur über eine vorgegebene Strecke wirksamen Neutronen absorbierende Stoffe und/oder mit die Neutronengeschwindigkeit verringernde Stoffe enthaltenden kugelförmigen Elementen beschickt wird. Schon eine geringe Zugabe von Bor zu den Brennelementen und eine Beschickung mit Brennelementen iß der Weise, daß eine Verteilung der so dotierten Brennelemente über die gesamte Kugelschüttungsoberfläche erfolgt, hat eine ähnliche Wirkung wie die Einlagerung von Bor im Deckenreflektor. Eine weitere sehr zweckmäßige Maßnahme gemäß der Erfindung, die daneben oder stattdessen anwendbar ist, besteht darin, daß die Neutronen absorbierenden und/oder die Neutronengeschwindigkeit verrin-that these substances have a different cross-section and that the concentrations of manganese, iron and nickel do not change significantly even during decades of reactor operation. Boron, gadolinium and hafnium have a high absorption cross-section. They therefore only need to be added in very low concentrations. However, since they are burnable, they have to be replaced every few years. The inclusion of absorber materials in the reflector wall results in the temperature of the helium flowing in this part of the reflector on the reflector wall being about 100 to 150 ° C. lower than without the inclusion of neutron absorbing material in the reflector wall. This leads to a considerable increase in the service life of the reflector. This measure also shifts the power density to the inner regions of the reactor core. This reduces the accumulating rapid neutron dose on the reflector interface that occurs during the duration of the reactor operation. Another measure to increase the performance of a nuclear reactor with a bed of spherical fuel elements is that the reactor from above with neutron-absorbing substances and / or substances that reduce the neutron speed that are effective only over a predetermined distance when passing through the bed of fuel elements Elements is charged. Even a small addition of boron to the fuel elements and loading with fuel elements in such a way that the fuel elements doped in this way are distributed over the entire surface of the pebble bed has an effect similar to that of boron in the ceiling reflector. Another very useful measure according to the invention, which can be used in addition or instead, is that the neutrons absorbing and / or reducing the neutron speed
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gernden Stoffe enthaltenden kugelförmigen Elemente dem Reaktorkern in einer 20 bis 40 cm breiten, an den Seitenreflektor angrenzenden Randzone zugeführt werden. In diesem Falle kann es zweckmäßig sein, den von der Seite in die Beschickung eingeführten Brennelementkugeln Hafnium, Bor oder dergleichen als Absorber zuzugeben. Brennelementen, mit denen der Reaktor in der Nachbarschaft der Seitenwandung beschickt wird, werden zweckmäßig langsam abbrennende Absorber zugegeben. Auch in diesem Falle können die Absorptionsstoffe in Elementen, in denen auch der Brennstoff enthalten ist oder aber in gesonderten Elementen, enthalten sein. Die Zugabe von Neutronen absorbierenden Stoffen kann durch Dotierung voa den Brennstoff enthaltenden kugelförmigen Brennelementen oder aber auch in gesondert kugelförmigen Elementen erfolgen. Die Beschickung mit abbrennbaren Neutronen absorbierenden Stoffe enthaltenden Elementen ist insbesondere dann sehr vorteilhaft, wenn diese Maßnahme sich in der oberen Hälfte des Reflektors und vorzugsweise im oberen Drittel des Reflektors auswirken soll.Like substances containing spherical elements the reactor core in a 20 to 40 cm wide, adjacent to the side reflector Edge zone are fed. In this case it can be useful to use the one introduced into the feeder from the side To add fuel element balls hafnium, boron or the like as an absorber. Fuel elements with which the reactor is in the vicinity of the side wall is charged, slowly burning absorbers are expediently added. Also in this In the case of the absorption materials in elements that also contain the fuel or in separate elements, be included. The addition of neutrons absorbing substances can be spherical by doping voa the fuel Fuel elements or also take place in separate spherical elements. Charging with burnable neutrons Elements containing absorbent materials is particularly advantageous if this measure is in the upper Should affect half of the reflector and preferably in the upper third of the reflector.
Statt abbrennbare Absorptionsstoffe zu verwenden, hat es sich auch als vorteilhaft erwiesen, daß als Neutronen absorbierender Stoff ein Plutoniumisotopengemisch mit hohem Anteil von Pu verwendet wird. Dies ist deshalb vorteilhaft, weil in dem beim Betrieb des Kernreaktors vorliegenden Neutronenspektrum dasInstead of using burnable absorbent materials, it has also proven to be advantageous to use more absorbent neutrons Substance a mixture of plutonium isotopes with a high proportion of Pu is used. This is advantageous because in the neutron spectrum that is present during operation of the nuclear reactor
Pu einen sehr hohen Absorptionsquerschnitt besitzt. Es verhält sich daher praktisch wie ein abbrennbares Gift. DarüberPu has a very high absorption cross-section. It therefore behaves practically like a burnable poison. About that
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hinaus hat die Verwendung des Plutoniumisotops Pu den Vorteil, daß es sich infolge des Neutroneneinfanges in das IsotopIn addition, the use of the plutonium isotope Pu has the advantage that it becomes part of the isotope as a result of the neutron capture
Pu verwandelt. Da dies ein Spaltstoff ist, führt das zu einerPooh transformed. Since this is a fissile material, it leads to one
sehr wirtschaftlichen Betriebsweise des Reaktors. Da außerdem die Spaltstoffbildung der kugelförmigen Brennelemente dabei in den tieferen Bereichen des Reaktorkerns abläuft, wird dadurch er-very economical operation of the reactor. In addition, since the formation of fissile material in the spherical fuel elements is in runs off the deeper areas of the reactor core,
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möglicht, trotz niedrigeren Spaltstoffeinsatzes in den Elementen eine einem höheren Spaltstoffeinsatz entsprechende Leistungsdichte zu erzielen.possible, despite the lower use of fissile material in the elements, a power density corresponding to a higher use of fissile material to achieve.
240 239240 239
Da das Pu gewöhnlich in Mischungen der Isotope Pu +Since the Pu is usually in mixtures of the isotopes Pu +
Pu + Pu + Pu vorliegt, überlagert sich bei der Verwendung eines Plutoniumgemisches noch ein zwischenzeitlich ab-Pu + Pu + Pu is present, when a plutonium mixture is used, an intermittently deposited
240
laufender Aufbau von Pu, der sich aus Neutroneneinfängen in240
ongoing build-up of Pu, which is made up of neutron captures in
Pu ergibt. Das hat praktisch die Wirkung, daß das AbbrennenPooh results. This practically has the effect of burning off
240
von Pu verzögert wird. Wird das Plutoniumgemisch mit einer dem Bedarfsfalle entsprechenden Zusammensetzung in den Reaktor
von der Seitenwandung des Reflektors her eingegeben, so ist damit auf einfache Weise eine Dosisentlastung des Seitenreflektors
im gesamten oberen Drittel zu erzielen. Es hat sich gezeigt, daß je nach der Menge des eingesetzten Plutoniums die
schnelle Dosis um 20 bis 60 % vermindert werden konnte.240
is delayed by Pu. If the plutonium mixture with a composition corresponding to the requirement is introduced into the reactor from the side wall of the reflector, a dose relief of the side reflector in the entire upper third can thus be achieved in a simple manner. It was found that, depending on the amount of plutonium used, the rapid dose could be reduced by 20 to 60%.
Eine weitere sehr zweckmäßige Maßnahme gemäß der Erfindung be-Another very useful measure according to the invention is
232232
steht darin, daß als Neutronen absorbierender Stoff Th verwendet wird. Auch dadurch wird erreicht, daß im oberen Teil des Reaktors Neutronen eingefangen und im unteren Teil der Brut-it says that Th is used as the neutron absorbing substance. This also ensures that in the upper part of the The reactor's neutrons and in the lower part of the breeding
232232
effekt von Th ausgenutzt wird. Zwar ist der Wirkungsquer-effect is exploited by Th. Although the cross-acting
232 232232 232
schnitt von Th verhältnismäßig niedrig, so daß das Th nur zu einem geringen Teil, d.h. bis zu etwa 10 % abbrennt.cut of Th relatively low, so that the Th burns off only to a small extent, i.e. up to about 10%.
232232
Durch die Verwendung von Th ist nur eine geringfügige Verminderung des thermischen Neutronenflusses im oberen Teil des Reflektors erzielbar. Der Vorteil dieser Maßnahme liegt jedoch in der Verminderung der Spaltstoffkonzentration im oberen Teil des Reaktorkerns, so daß auch durch diese Maßnahme die Leistungsdichte im oberen Bereich des Reflektors und eine Verschiebung zum tieferen Bereich hin erzielt wird. Damit istBy using Th, only a slight reduction in the thermal neutron flux in the upper part of the reflector can be achieved. The advantage of this measure, however, lies in the reduction of the fissile material concentration in the upper part of the reactor core, so that this measure also achieves the power density in the upper region of the reflector and a shift towards the lower region . So is
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gleichfalls eine Dosisentlastung der oberen Reflektorbereiche verbunden. Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, daß der Anteilalso associated with a dose relief of the upper reflector areas. It has been found to be useful that the proportion
an Th zwischen 20 und 30 g je kugelförmigen Elements beträgt. at Th is between 20 and 30 g per spherical element.
Die Maßnahmen gemäß der Erfindung lassen sich nach einer sehr vorteilhaften Variante des Verfahrens zum Betrieb eines Kernreaktors gemäß der Erfindung dadurch sehr wirksam unterstützen, daß in dem Reaktorkern, insbesondere im oberen Teil in die den Reflektorwandungen benachbarten Bereiche, Elemente zugegeben werden, die einen erhöhten Anteil des die Neutronengeschwindigkeit verringernden Stoffes, also einen geringeren Anteil an Brennstoff oder gar keinen Brennstoff und einen höheren Anteil eines die Neutronengeschwindigkeit verringernden Stoffes, also Graphit, aufweisen. Das kann im Bedarfsfall dazu führen, daß reine Graphitkugeln zugegeben werden. Dadurch wird eine räumliche Verlagerung der Leistungsdichte in der Weise erzielt, daß die Leistungsdichte in der gesamten Höhe der Randzone reduziert wird. Das führt in diesem Bereich zu einer Verminderung der Aufheizung des Kühlgases, Neben der dadurch erzielten Herabsetzung der Temperatur in der Nachbarschaft der Reflektorwandung wird dadurch zugleich auch eine Verminderung der Neutronendosis erreicht. Diese Maßnahme kommt jedoch in erster Linie neben den übrigen Maßnahmen gemäß der Erfindung zur Anwendung. Der Vorzug der Ausgestaltung des Kernreaktors gemäß der Erfindung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des Reaktors besteht in der Einfachheit und in der hohen Anpaßbarkeit an die jeweils vorliegenden Verhältnisse. Daher ist es im Verlauf des Reaktorbetriebs ohne weiteres möglich, diese Maßnahmen an sich ändernde Verhältnisse sehr genau anzupassen .The measures according to the invention can be very much thereby very effectively support advantageous variant of the method for operating a nuclear reactor according to the invention, that in the reactor core, especially in the upper part in the areas adjacent to the reflector walls, elements are added that have an increased proportion of the substance reducing the neutron speed, i.e. a lower proportion of Fuel or no fuel at all and a higher proportion of a substance that reduces the neutron speed, i.e. Graphite. If necessary, this can lead to the addition of pure graphite spheres. This creates a spatial Shifting the power density achieved in such a way that the power density is reduced in the entire height of the edge zone will. In this area, this leads to a reduction in the heating of the cooling gas, in addition to the resulting reduction the temperature in the vicinity of the reflector wall also reduces the neutron dose achieved. However, this measure is primarily used in addition to the other measures according to the invention. The advantage of the design of the nuclear reactor according to the invention and the method of operation according to the invention of the reactor consists in the simplicity and in the high adaptability to the prevailing conditions. Therefore it is easily possible in the course of reactor operation to adapt these measures very precisely to changing conditions .
- 9 509817/0389 - 9 509817/0389
So ist es beispielsweise möglich, die Beschickungsweise des Reaktors derart zu ändern, daß die maximale Einwirkung des schnellen Flusses auf den Mantelreflektor während der ersten 5 bis 10 Betriebsjahre des Reaktors unterhalb der Reaktormittelebene erfolgt, im weiteren Verlauf jedoch in das obere Viertel des Reaktors verlagert wird. Auf diese Weise wird die gleichmäßige Verteilung der Dosis auf den Mantelreflektor ermöglicht. Da diese Verlagerung praktisch auf einer Verlagerung der Leistungserzeugung beruht, folgt daraus, daß während der ersten Betriebsjahre im oberen Teil des Reflektors die schnelle Dosis bei verhältnismäßig geringen Temperaturen einwirkt, so daß die Scha·» digung des Graphits des Reflektors während dieses ersten Zeitraumes nur sehr gering ist. Im unteren Teil des Reflektors wird sodann in dem sich daran anschließenden Betriebszeitraum bei niedrigem Fluß und hoher Temperatur ein partielles Ausheilen etwa entstandener Strahlenschäden begünstigt. Die Maßnahmen gemäß der Erfindung können durch entsprechende Ausnutzung und/oder durch zusätzliche Anordnung von den Reaktorbetrieb steuernden Absorberstäben unterstützt werden.For example, it is possible to change the charging method of the reactor to be changed in such a way that the maximum effect of the rapid flow on the cladding reflector during the first 5 to 10 Years of operation of the reactor takes place below the reactor center plane, but in the further course in the upper quarter of the reactor is relocated. In this way, the uniform distribution of the dose on the clad reflector is made possible. There this shift is based practically on a shift in power generation, it follows that during the first years of operation in the upper part of the reflector the fast dose at relatively acts at low temperatures, so that the damage to the graphite of the reflector during this first period is only very low. In the lower part of the reflector is then in the subsequent operating period at low flow and high temperature favors partial healing of any radiation damage that may have occurred. The measures according to of the invention can be controlled by appropriate utilization and / or by additional arrangement of the reactor operation Absorber rods are supported.
In der Zeichnung sind zur Veranschaulichung der Maßnahmen gemäß der Erfindung einige Vergleichsbeispiele dargestellt. Es zeigenIn the drawing, some comparative examples are shown to illustrate the measures according to the invention. Show it
Fig. 1 die unterschiedlichen Auswirkungen der Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen auf den schnellen Neutronenfluß längs der Reaktorachse sowie dem schnellen Neutronenfluß beziehungsweise die schnelle Jahresdosis längs der Grenzfläche zwischen Reaktorkern und Mantelreflektor1 shows the different effects of the application of the measures according to the invention on the rapid neutron flux along the reactor axis and the rapid neutron flux or the rapid annual dose along the interface between the reactor core and the jacket reflector
- 10 -- 10 -
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- ίο -- ίο -
Fig. 2 den schnellen Neutronenfluß beziehungsweise die Jahresdosis entlang der inneren Begrenzung des Seitenreflektors.Fig. 2 shows the rapid neutron flux or the annual dose along the inner boundary of the Side reflector.
Der in Fig. 1 wiedergegebene Neutronenfluß bezieht sich auf einen Kernreaktor mit 1-Zonen-Core, bei dem die Brennelemente in kugelförmiger Form stetig zugegeben und abgezogen werden und im Reaktor als Kugelhaufen vorliegen. Die Leistungsdichte desThe neutron flux shown in Fig. 1 relates to a nuclear reactor with a 1-zone core, in which the fuel elements are continuously added and withdrawn in spherical form and are present in the reactor as pebbles. The power density of the
Reaktors beträgt 5 MW/k . Die mit I bezeichnete Kurve gibt dabei den schnellen Neutronenfluß entlang der Reaktorachse wieder. Wurde in dem oberen Teil des Reflektors ein thermischer AbsorberReactor is 5 MW / k. The curve marked I gives the fast neutron flux along the reactor axis again. Became a thermal absorber in the upper part of the reflector
eingelagert, dessen totaler Wirkungsquerschnitt σ = 0,0016 cm""* betrug, so verlagerte sich der thermische Fluß und somit die Leistungsdichte in die unteren Bereiche des Reaktorkerns. Der schnelle Fluß der Neutronen nahm dabei den Verlauf an, der in Kurve II wiedergegeben ist. Die schnelle Dosis am inneren Rand des oberen Reflektors verminderte sich um 28 %. Die Kritikalität des sich dabei einstellenden Gleichgewichtsbetriebes war gleichwohl lediglich um 0,4 % vermindert. Ein Ausgleich konnte ohne weiteres dadurch vorgenommen werden, daß die Anfangsanreicherung von 6,50 % auf 6,60 % erhöht wurde. Wurde der Wirkungsquerschnitt des Absorbers im oberen Teil des Reflektors bis zur völligen Schwärzung erhöht, so nahm der Neutronenfluß die in der Kurve III wiedergegebene Form an. Er verminderte sich an der Grenzfläche um 82 %, In Kurve IV ist der schnelle Neutronenfluß längs der Grenzfläche zwischen Reaktorkern und Seitenreflektor ohne Anwendung der Maßnahmen gemäß der Erfindung wiedergegeben. Der Verlauf der Kurve V zeigt die Verschiebung der Leistungsdichte bei einer leichten Vergiftung des Seitenreflektors in einer Breite von etwa 80 cm am oberen Rand der Ku-embedded, whose total effective cross-section was σ = 0.0016 cm "" *, the thermal flow and thus the power density were shifted to the lower areas of the reactor core. The rapid flow of neutrons took on the course that is shown in curve II. The fast dose at the inner edge of the top reflector was reduced by 28 %. The criticality of the resulting equilibrium operation was nevertheless only reduced by 0.4%. Compensation could easily be made by increasing the initial enrichment from 6.50 % to 6.60 % . If the effective cross-section of the absorber in the upper part of the reflector was increased until it was completely blackened, the neutron flux assumed the form shown in curve III. It decreased by 82 % at the interface. Curve IV shows the rapid neutron flux along the interface between the reactor core and the side reflector without using the measures according to the invention. The course of the curve V shows the shift in the power density with a slight poisoning of the side reflector in a width of about 80 cm at the upper edge of the Ku-
—1 gelschüttung. Der Wirkungsquerschsiitt t betrug dabei 0,0016 cm—1 gel pour. The Wirkungsquerschsiitt t amounted to 0.0016 cm
- Il 509817/0389 - Il 509817/0389
- li -- li -
Wie aus dem Kurvenverlauf hervorgeht, wurde die Leistungsdichte im Reaktorkern durch Anwendung der Maßnahme gemäß der Erfindung derart verlagert, daß die schnelle Dosis sich in dem vorstehend angegebenen Bereich um etwa 30 % verminderte.As can be seen from the curve, the power density in the reactor core was increased by applying the measure according to the invention shifted such that the rapid dose decreased by about 30% in the range given above.
Um einen Wirkungsquerschnitt Σ = 0,0016 cm" zu erzielen, wurde dem Graphit des Reflektors Mangan mit einem Volumenanteil von 0,15 % beigemengt. Dieser Zugabe von Mangan entspricht eine Beimengung von 0,72 VoI % Fe oder 0,38 VoI % Ni.In order to achieve an effective cross-section Σ = 0.0016 cm ", manganese was added to the graphite of the reflector with a volume fraction of 0.15 % . This addition of manganese corresponds to an addition of 0.72 % by volume Fe or 0.38 % by volume Ni .
Die in Fig. 2 wiedergegebenen Beziehungen wurden für einen Kernreaktor mit 2-Zonen-Core ermittelt, bei dem die Brennelemente in kugelförmiger Form stetig zugegeben und abgezogen werden und im Reaktor als Kugelhaufen vorliegen. Die LeistungsdichteThe relationships shown in FIG. 2 were determined for a nuclear reactor with a 2-zone core in which the fuel elements are continuously added and withdrawn in spherical form and are present in the reactor as pebbles. The power density
3
des Reaktors beträgt 8 MW/m .3
of the reactor is 8 MW / m.
Die Beschickung der an den Seitenreflektor angrenzenden Randzone der Kugelschüttung, bei der die schnelle Neutronendosis an der Reflektorgrenzfläche über die Reaktorlänge dem ait A bezeichneten Kurvenverlauf entspricht, enthielt je 100 Kugeln 1360 g ^OATh und 158 g ^30U. Aus wirtschaftlichen Gründen wurden dabei Brennelementkugeln und reine Graphitkugeln im Verhältnis 75,5 : 24,5 gemischt, so daß in den eingesetzten Elemen-The loading of the edge zone of the ball bed adjoining the side reflector, in which the rapid neutron dose at the reflector boundary surface over the length of the reactor corresponds to the curve shape designated ait A, contained 100 balls 1360 g ^ OA Th and 158 g ^ 30 U. For economic reasons Fuel element balls and pure graphite balls mixed in a ratio of 75.5: 24.5, so that the elements used
232 ten der Gehalt an Brut- und Spaltstoff 18,1 g Th und 2,1 g232 th the content of brood and fissile matter 18.1 g Th and 2.1 g
U betrug. Bei dem schnellen Neutronenfluß beziehungsweiseU scam. With the fast neutron flux, respectively
der Jahresdosis, die durch die Kurve B wiedergegeben ist, enthielten 100 Kugeln jeweils 1890 g ^4Th und 122 g ^3U. Dabei wurden mit der Beschickung keine reinen Graphitkugeln zugegeben. Der Spaltstoffgehalt in den Kugeln selbst wurde herabgesetzt.of the annual dose, which is shown by curve B, 100 balls contained 1890 g ^ 4 Th and 122 g ^ 3 U each. No pure graphite balls were added with the charge. The content of fissile material in the balls themselves has been reduced.
OO O QQ «5OO O QQ «5
- 12 -- 12 -
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Wie aus Fig. 2 hervorgeht, wurde im Mittel die schnelle Neutronendosis im oberen Drittel des Heflektors aufgrund der für den Kurvenverlauf B angeführten Maßnahmen ua 24 % erniedrigt. Zwar stieg die schnelle Neutronendosis aufgrund des erhöhten Bruteffekts im unteren Bereich des Reflektors geringfügig an. Das kann jedoch ohne weiteres in Kauf genommen werden, da in diesem Bereich die technologisch zulässige Grenze ohnehin nicht erreicht wurde. Der Vorzug der Anwendung der Maßnahmen gemäß der Erfindung wird auch dadurch verdeutlicht, daß die Kosten für den Brennstoffzyklus praktisch gleich groß sind, wie dies der Fall ist, wenn diese Maßnahmen nicht angewandt werden.As can be seen from FIG. 2, the mean fast neutron dose in the upper third of the yeast reflector was reduced by 24 %, inter alia, due to the measures listed for curve B. The fast neutron dose increased slightly due to the increased breeding effect in the lower area of the reflector. However, this can be accepted without further ado, since the technologically permissible limit has not been reached in this area anyway. The advantage of applying the measures according to the invention is also illustrated by the fact that the costs for the fuel cycle are practically the same as is the case if these measures are not applied.
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Claims (1)
der Stoff Th verwendet wird.232
the substance Th is used.
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