DE2347817C2

DE2347817C2 - Pebble bed reactor with a single pass of the fuel elements

Info

Publication number: DE2347817C2
Application number: DE2347817A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Maly; Eberhard Dr. 5170 Jülich Teuchert
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1973-09-22
Filing date: 1973-09-22
Publication date: 1984-05-17
Also published as: GB1483506A; FR2245054B1; JPS5059697A; DE2347817A1; JPS6027958B2; FR2245054A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktor, bei dem kugelfoermige Brennelemente mit einer Umhuellung aus Graphit von oben nach unten durch den Reaktorkern geschleust werden und nach einmaligem Durchlaufen des Reaktorkerns den gewuenschten Endabbrand erreichen. Der Reaktorkern, der von einem aus einem Deckenreflektor, Seitenreflektor und Bodenrefelektor bestehenden Reflektor aus Graphit umgeben wird, wird zugleich von einem Waermeuebertragungsmittel durchstroemt. Der Kernreaktor gemaess der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass innerhalb oder in der Nachbarschaft des der Brennelementschuettung zugewandten Teils der Wandung des Deckenreflektors und/oder des oberen Teils des Seitenreflektors Stoffe vorgesehen sind, die Neutronen absorbieren oder die die Neutronengeschwindigkeit verringern. Nach den Massnahmen gemaess der Erfindung geschieht dies dadurch, dass beschichtete Partikel, die neutronenabsorbierende Stoffe enthalten, in der Wandung des Deckenreflektors eingelagert sind, oder auch dadurch, dass in der Wandung Bohrungen vorgesehen sind, in denen Staebe, die neutronenabsorbierende Stoffe enthalten, angeordnet sind. Die Erfindung bezieht sich noch auf ein Verfahren zum Betreiben eines Kernreaktors der eingangs bezeichneten Art. Die Verfahrensmassnahmen gemaess der Erfindung bestehen darin, dass der Reaktor von oben mit kugelfoermigen Elementen beschickt wird, die neutronenabsorbierende Stoffe enthalten, die nur ueber eine vorgegebene Strecke wirksam sin...U.S.WThe invention relates to a nuclear reactor in which spherical fuel elements with a graphite envelope are sluiced through the reactor core from top to bottom and, after having passed through the reactor core once, achieve the desired final burnup. A heat transfer medium flows through the reactor core, which is surrounded by a graphite reflector consisting of a ceiling reflector, side reflector and bottom reflector. The nuclear reactor according to the invention is characterized in that substances which absorb neutrons or which reduce the neutron speed are provided within or in the vicinity of the part of the wall of the ceiling reflector facing the fuel element stack and / or the upper part of the side reflector. According to the measures according to the invention, this is done in that coated particles containing neutron-absorbing substances are embedded in the wall of the ceiling reflector, or in that bores are provided in the wall in which rods containing neutron-absorbing substances are arranged . The invention also relates to a method for operating a nuclear reactor of the type mentioned. The procedural measures according to the invention consist in that the reactor is charged from above with spherical elements that contain neutron-absorbing substances that are only effective over a predetermined distance. ..ETC

Description

Die Erfindung bezieht sich auf pinen Kugelhaufenreaktor der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art.The invention relates to the pin pebble bed reactor specified in the preamble of claim 1 Art.

Kugelhaufenreaktoren mit kontinuierlichem Brennelementendurchlauf, bei denen kugelförmige Brennelemente im Reaktorkern als Schüttung vorliegen, gehören zum bekannten Stand der Technik. Die Kugelschüttung ist von einem Reflektor aus Graphit umgeben, dessen Wände etwa 1 m dick sind. Die Erfindung geht von einem Kugelhaufenreaktor aus. der in der Weise betrieben wird, daß die Brennelemente nach einem einzigen Durchlauf durch den Reaktorkern ihren Zielabbrand erreichen. Dadurch ergibt sich ein über die Höhe des Reaktors von oben nach unten abfallendes Profil der Leistungsdichteverteilung. Dies optimiert die Wärmeübertragung an das bei dieser Betriebsweise abwärts durch den Reaktor strömende Kühlgas. Bei einer mittleren Leistungsdichte zwischen 9 und 12 MW/m^J ist eine mittlere Gasaustrittstemperatur von etwa 1000⁰C erzielbar.Pebble bed reactors with a continuous flow of fuel elements, in which spherical fuel elements are present in the reactor core as a bed, belong to the known state of the art. The ball bed is surrounded by a reflector made of graphite, the walls of which are about 1 m thick. The invention is based on a pebble bed reactor. which is operated in such a way that the fuel elements reach their target burnup after a single pass through the reactor core. This results in a profile of the power density distribution that drops over the height of the reactor from top to bottom. This optimizes the heat transfer to the cooling gas flowing downwards through the reactor in this mode of operation. With an average power density between 9 and 12 MW / m ^J , an average gas outlet ^{temperature of approximately 1000 °} C. can be achieved.

Nachteilig ist jedoch, daß der Graphit des den Reaktorkern umgebenden Reflektors aufgrund der auf ihn einwirkenden schnellen Neutronen, deren Energiebereich zwischen 10⁵ und 10⁷ eV liegt, eine Schädigung erfährt. Mit wachsender Neutronendosis treten zunächst Schrumpfungserscheinungen auf und im Anschluß daran schwillt und versprödet der Graphit. Dieser Schädigungsvorgang vollzieht sich um so schneller, je höher die Temperatur während der Bestrahlung ist. Um dies zu vermeiden, durfte bisher die zulässige schnelle Dosis von etwa4,7 · 10²² cm~²nicht überschritten werden. Da jedoch die zulässige Belastung der Brennelemente eine Erhöhung der mittleren Leistungsdichte bis zu 15 MW/m^J 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/m'.However, it is disadvantageous that the graphite of the reflector surrounding the reactor core is damaged due to the fast neutrons acting on it, whose energy range is between 10 ⁵ and 10 ⁷ eV. As the neutron dose increases, shrinkage phenomena occur and then the graphite swells and becomes brittle. The higher the temperature during the irradiation, the faster this damage process takes place. To avoid this, so far the permissible dose of fast etwa4,7 × 10 ²² cm ^-2 could not be exceeded. However, since the permissible load on the fuel assemblies allows the average power density to be increased by up to 15 MW / m ^J , this represents an undesired limitation of the power density up to 10 MW / m '.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Voraussetzung für die Möglichkeit zu schaffen, bei gleichbleibender Lebensdauer die mittlere Leistungsdichte und damit die Gesamtleistung eines Kugelhaufenreaktors zu erhöhen. The object of the invention is therefore to create the prerequisites for the possibility of constant Lifetime to increase the average power density and thus the overall performance of a pebble bed reactor.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es dabei darauf ankommt in den am stärksten belasteten Bereichen des Reflektors die schnelle Dosis üu vermindern. Sie geht von der weiteren Erkenntnis aus, daßThe invention is based on the knowledge that this is what matters in the most stressed Reduce the rapid dose in areas of the reflector. It proceeds from the further knowledge that

ίο insbesondere die inneren Grenzschichten des Deckenrefiektors und die oberen Teile des Seitenreflektors einer hohen Dosisbelastung ausgesetzt sind. Dies beeinträchtigt die Reaktorleistung. Es ist deshalb insbesondere dann, wenn das Kühlgas, das den Reaktorkern durchst.'ömt, auf eine Temperatur oberhalb von 850° C aufgeheizt werden soll, der Beanspruchung der verwendeten Werkstoffe infolge der hohen Temperatur hinreichend Rechnung zu tragen.ίο especially the inner boundary layers of the ceiling reflector and the upper parts of the side reflector are exposed to a high dose load. This affects the reactor power. It is therefore particularly important when the cooling gas that flows through the reactor core should be heated to a temperature above 850 ° C, the stress of the used Materials to take sufficient account of the high temperature.

Die vorstehend bezeichnete Aufgabe wird bei einem Kugelhaufenreaktor der eingangs bezeichneten Art gernäß der Erfindung durch die in Patentanspruch ! gekennzeichneten Merkmale gelöst 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 zv/ischen 30 und 40% oder im Bedarfsfalle zwischen 20 und 80% verringern. Dies mindert die Dosisschädigung in gleichem MaBe, so daß es möglich ist, die Leistungsdichte des Reaktors entsprechend zu erhöhen.The above-mentioned object is compliant with a pebble bed reactor of the type mentioned at the outset of the invention by the in claim! characterized features solved This achieves that in the dose-endangered areas of the reflector, the rapid neutron flux is considerably reduced will. Depending on the extent to which the measures according to the invention are applied, can the neutron flux between 30 and 40% or if necessary decrease between 20 and 80%. This reduces the dose damage to the same extent that it it is possible to increase the power density of the reactor accordingly.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in Patentansprüchen 2 und 3 angegeben. Danach sind in die Reflektorteile beschichtete Partikeln eingelagert, die Neutronen absorbierende Stoffe, wie Bor. Hafnium oder dergleichen enthalten. Die Partikeln weisen einen Durchmesser von einigen 100 Jim auf. Statt dessen cder daneben lassen sich in der Wand des Deckenreflektors und/oder im oberen Teil der Wand <L:s Seitenreflektors Bohrungen, Hohlräume oder dergleichen vorsehen, in denen Neutronen absorbierende Stoffe, wie Bor, Hafnium oder dergleichen enthaltende Stäbe anzuordnen sind. Durch diese Maßnahmen wird die Absorption von Neutronen innerhalb des Reflektors erhöht. Wie sich gezeigt hat, vermindert sich im Abstand bis zu etwa 80 cm von der Wandung des Reflektors entfernt der thermische Neutronenfluß in der Kugelschüttung merklich, so ist der Grenzfläche des Reflektorbereiches, je nach Dosierung der Neutronen absorbierenden Stoffe bis zu 80%. Im Bedarfsfall kann es auch zweckmäßig sein, eine Dosisentlastung im unteren Teil des Reflektor"· 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 Reflektorwand in den angegebenen Bereichen in anderer Weise zu dosieren, beispielsweise mit einem Material in körniger Form ohne eine Beschichtung. Außer Bor und Hafnium können auch andere Neutronen absorbierende Stoffe, wie Mangan, Eisen, Nickel und Gadolinium verwendet werden. Auch dem Bedarfsfalle angepaßte Mischungen von Absorbermaterialien sind einsetzbar. Dabei kann der unterschiedliche Wirkungsquerschnitt dieser Stoffe genutzt werden und auch, daß die Konzentrationen von Mangan, Eisen und Nickel sich während eines jahrzehntelangen Reaktorbetriebs nicht wesentlich verändern. Bor, Gadolinium und Hafnium besitzen einen hohen Absorptionswir-Further refinements of the invention are specified in claims 2 and 3. Then coated particles containing neutron absorbing substances such as boron, hafnium or the like are embedded in the reflector parts. The particles have a diameter of a few 100 Jim. Instead of this, bores, cavities or the like can be provided in the wall of the ceiling reflector and / or in the upper part of the wall <L: s side reflector, in which rods containing neutrons such as boron, hafnium or the like are to be arranged. These measures increase the absorption of neutrons within the reflector. As has been shown, the thermal neutron flux in the pebble bed is noticeably reduced at a distance of up to about 80 cm from the wall of the reflector, so the interface of the reflector area is up to 80%, depending on the dosage of the neutron absorbing substances. If necessary, it can also be useful to relieve the dose in the lower part of the reflector, if very high gas outlet temperatures are desired or materials that are particularly hazardous to the dose are used To dose areas in a different way, for example with a material in granular form without a coating. Besides boron and hafnium, other neutron absorbing substances such as manganese, iron, nickel and gadolinium can also be used. Mixtures of absorber materials adapted to requirements can also be used. The different cross-sections of these substances can be used and the fact that the concentrations of manganese, iron and nickel do not change significantly during decades of reactor operation. Boron, gadolinium and hafnium have a high absorption effect.

kungsquerschnitt. Sie br&uchen 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 Reflektorwand strömenden Kühlmittels, beispielsweise Helium, um etwa 100 bis 150⁰C niedriger ist als <~>hne Einlagerung von Neutronen absorbierendem Stoff in der Wandung des Reflektors. Das führt zu einer beachtlichen Steigerung der Lebensdauer des Reflektors. Durch diase 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. 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 leads to the temperature of the coolant flowing in this part of the reflector on the reflector ^{wall, for example helium, being about 100 to 150 °} C. lower than without the inclusion of neutron absorbing substance in the wall of the reflector. This leads to a considerable increase in the service life of the reflector. This measure also shifts the power density to the inner areas of the reactor core. This reduces the accumulating rapid neutron dose on the reflector interface that occurs during the duration of the reactor operation.

In der Zeichnung sind zur Veranschaulichung der Maßnahmen gemäß der Erfindung einige Vergleichsbeispiele dargestellt. Die Figur zeigt die unterschiedlichen Auswirkungen der Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen auf den schnellen Neutroner-luß längs der Reaktorachse sowie den schnellen Neuironenfluß bzw. die schnelle Jahresdosis längs der Grenzfläche zwischen Reaktorkern und Seitenreflektor.The drawing shows some comparative examples to illustrate the measures according to the invention shown. The figure shows the different effects of the application of the invention Measures on the rapid flow of neutrons along the Reactor axis and the rapid flow of new iron or the rapid annual dose along the interface between Reactor core and side reflector.

Der in der Zeichnung wiedergegebene Neutronennuß bezieht sich auf einen Kugelhaufenreaktor mit Einmaldurchlauf, bei dem die kugelförmigen Brennelemente stetig zugegeben und abgezogen werden und nach einmaligem Durchlauf ihren Endabbrand erreichen. Die Leistungsdichte des Kugelhaufenreaktors beträgt 5 MW/m³. Die mit I bezeichnete Kurve gibt den schncilen Neutronenfluß entlang der Reaktorachse wieder. Werden im oberen Teil des Reflektors thermische Neutronen absorbierende Stoffe eingelagert, so daß ein totaler Wirkungsquerschnitt .£, = 0,0016 cm-' erreicht wird, so verlagert sich der thermische Neutronenfluß und somit die Leistungsdichte in den unteren Bereich des Reaktorkerns. Der schnelle Neutronenfluß nimmt dabei einu.n Verlauf an, der in Kurve II wiedergegeben ist. Die schnelle Neutronendosis am inneren Rand des oberen Teils des Seitenreflektors verminderte sich entsprechend um 28%. Die Kritikalität des sich dabei einstellenden Gleichgewichtsbetriebes war gleichwohl lediglich um 0,4% vermindert. Ein Ausgleich konnte ohne weiteren dadurch vorgenommen werden, daß die Anfangsanreicherung von 6,50% auf 6,60% erhöht wurae. Wurde der Wirkungsquerschnitt des Absorbers im oberen Teil des Seitenreflektors bis zur völligen Schwärzung erhöht, so nahm Jer Neutronenfluß die in der Kurve ΙΙϊ wiedergegebene Form an. Er verminderte sich an der Gre/izfläche um 82%.The neutron nut shown in the drawing refers to a pebble bed reactor with a single pass, in which the spherical fuel elements are continuously added and withdrawn and after a single pass reach their final burnup. The power density of the pebble bed reactor is 5 MW / m ³ . The curve marked I shows the smooth neutron flux along the reactor axis. If thermal neutron-absorbing substances are stored in the upper part of the reflector, so that a total effective cross-section. £, = 0.0016 cm- 'is achieved, the thermal neutron flux and thus the power density are shifted to the lower area of the reactor core. The rapid neutron flux assumes a course that is shown in curve II. The fast neutron dose at the inner edge of the upper part of the side reflector was reduced accordingly 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 cross-section of the absorber in the upper part of the side reflector was increased until it was completely blackened, the neutron flux assumed the form shown in curve ΙΙϊ. It decreased in the size area by 82%.

In Kurve IV ist der schnelle Neutronenfluß längs der Grenzfläche zwischen Reaktorkern und Seitenrefiektor ohne Anwendung der Maßnahmen gemäß der Erfin- ■» dung wiedergegeben. Der Verlauf der Kurve V zeigt die Verschiebung der Leistungsdichte bei einer leichten Vergiftung des Seitenreflektors in einer Höhe von etwa 80 cm am oberen Rand der Kugelschültung. Der Wirkungsquerschnitt Σ_Λ betrug dabei 0,0016 cm-'. _ni>In curve IV of the fast neutron flux along the interface between the reactor core and Seitenrefiektor without application of the measures according to the inventions ■ »reproduced dung. The course of curve V shows the shift in the power density with a slight poisoning of the side reflector at a height of about 80 cm at the upper edge of the spherical seal. The cross section Σ _Λ was 0.0016 cm- '. _n i>

Wie aus dem Kurvenverlauf hervorgeht, wurde die Leistungsdichte im Reaktorkern durch Anwendung der Maßnahme gemäß der Erfindung derart verlagert, daß die schnelle Dosis sich im vorstehend angegebenen Bereich um etwa 30% verminderte. toAs can be seen from the curve, the power density in the reactor core was determined by applying the Measure according to the invention shifted in such a way that the rapid dose is in the range specified above decreased by about 30%. to

Um einen Wirkungsquerschnitt Σ j = 0.0016 cm^¹ /1· erzielen, wurde dem Graphit des Reflektors Mangan mit einem Volumcnantcil von 0.15% beigemengt. Die ser Zugabe von Mangan entspricht eine Beimengung von 0,72 Vol.-% Fe oder 0,38 Vol.-% Ni.To / achieve a cross section Σ j = 0.0016 cm ^ ¹ 1 ·, the graphite of the reflector manganese was mixed with a Volumcnantcil of 0.15%. This addition of manganese corresponds to an admixture of 0.72% by volume of Fe or 0.38% by volume of Ni.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Pebble bed reactor, the fuel elements of which have passed through the reactor core once Achieve final burn-up with a top, side and bottom reflector surrounding the reactor core existing reflector made of graphite, in its facing the pebble of the fuel elements Wall area of the ceiling reflector and / or the upper part of the side reflector is provided with neutron-absorbing substances, characterized in that that at least such an amount of neutron absorbing substances is present that a total effective cross section Xa = 0.0016 cm- 'is reached

2. pebble bed reactor according to claim 1, characterized in that neutrons absorbing substances contain coated particles with a diameter of a few 100 microns in the reflector parts are stored.

3. pebble bed reactor according to claim 1 or 2, characterized in that in the wall of the ceiling reflector and / or bores, cavities or the like are provided in the upper part of the wall of the side reflector in which rods containing neutrons absorbing substances are arranged.