DE2352691C2 - Gasgekühlter Kernreaktor mit einer Schüttung von kugelförmigen Brennelementen - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kernreaktor mit einer Schüttung von kugelförmigen Betriebselementen, die von einem Reflektormantel umgeben ist und von oben nach unten von einem gasförmigen Kühlmittel durchströmt wird.

Derartige Kernreaktoren ermöglichen eine kontinuierliche Erneuerung des festen Brennstoffes und eine kontinuierliche Entfernung des erschöpften Brennstoffes. Die Betriebselemente (Brenn- und Graphitelemen- so te) bleiben dabei während des Betriebs im Reaktor im wesentlichen in Ruhe, da sie nicht durch den nach unten gerichteten Kühlgasstrom aufgewirbelt werden. Durch eine entsprechend ausgebildete Abzugsvorrichtung am Boden der Schüttung werden die kugelförmigen ss Betriebselemente fortlaufend dem Reaktor entnommen, während frische Brennelemente und Graphitelemente von oben in die Schüttung eingebracht werden. Die kontinuierliche Be- und Entladung des Reaktorkerns ermöglicht einen besonders einfachen und wirtschaftlichen Betrieb der Kugelhaufenreaktoren.

Im allgemeinen ist die Schüttung eines Kugelhaufenreaktors von aus Graphit bestehenden Reflektorwänden umgeben, die sie seitlich wie ein Mantel umhüllen. Nach längerem Betrieb oder bei einer hohen Leistungs- es dichte im Reaktorkern bereits nach kürzerer Zeit treten in dem Reflektormantel Strahlenschäden auf, die zu einer Stillegung des Reaktorbetriebes führen können.

-Vor allem der mit der Leistungsdichte gekoppelte schnelle Neutronenfluß nimmt bei hoher Leistungsdichte Werte an, die den Reflektormantel mit einer unzulässig hohen Dosis an schnellen Neutronen belasten, Dadurch wird die erreichbare mittlere Leistungsdichte im Reaktorkern auf relativ niedrige Werte (4 bis 5 MW/m³) begrenzt Eine möglichst hohe Leistungsdichte ist jedoch aus wirtschaftlichen und technischen Gründen insbesondere bei., Reaktoren großer Leistung wünschenswert -

Es sind bereits Kugelhaufenreaktoren entwickelt worden, bei denen durch eine besondere Ausbildung des Reflektormantels dieser vor Strahlenschäden bewahrt werden soll. So wird in der österreichischen Patentanmeldung A 9 582/63 ein Kernreaktor beschrieben, dessen seitliche Reflektorwände aus einer Schüttung von kugelförmigen Graphitelementen bestehen, die kontinuierlich durch den Reaktorkern fließen und laufend durch neue Graphitkugeln ersetzt werden, so daß der gefährdete Teil des Reflektormantels ständig ausgewechselt wird. Die Graphitkugeln werden gemeinsam mit den kugelförmigen Brennelementen aus dem Reaktorkern abgezogen, während ihre Zugabe getrennt von den Brennelementen erfolgt Zwischen den Reflektormantel und der Brennelement-ScliQttung kann noch eine Zone aus ebenfalls aufgeschütteten kugelförmigen Brutstoffelementen vorgesehen sein.

In der deutschen Patentschrift 10 34 784 wird ebenfalls ein Kugelhaufenreaktor offenbart, dessen Reflektormantel aus einer Aufschüttung von gleichmäßig geformten neutronenreflektierenden Körpern besteht, die im wesentlichen die gleiche Gestalt besitzen wie die Brenn- und Brutelemente. Auch hier sind die Brutelemente zu einem Mantel aufgeschüttet der sich zwischen den Brennelementen und dem Reflektormantel befindet

Eine reine Blindkugel-Randzone ist aus zwei Gründen unwirtschaftlich: einmal werden laufend große Mengen an Graphitkugeln benötigt, und zum anderen wird der Kühlgasstrom, der diese Region zwangsläufig durchsetzt, nur unwesentlich aufgeheizt. Dadurch stellt sich beim Austritt des Kühlgases aus dem Reaktorkern eine sehr ungleichmäßige Temperaturverteilung ein, die zu einer Absenkung der mittleren Kernaustrittstemperatur führt wenn vorgegebene maximale Brennelementtemperaturen nicht überschritten werden sollen. Durch den Einsatz von Brutstoffelementen in der Randzone wird zwar durch das Erbrüten von Spaltstoff die Gasaustrittstemperaturverteilung verbessert aber diese Maßnahme erweist sich durch die zusätzlichen Produktionskosten für den Brutstoff als teuer.

Aus dem französischen Patent 80 841 ist ein weiterer Kugelhaufenreaktor mit einer Kernrandzone aus Blindkugeln bekannt, dessen Kern jedoch nicht von oben nach unten, sondern in dazu senkrechter Richtung von dem Kühlgas durchströmt wird. Die Blindkugeln der Randzone sind wesentlich kleiner als die Brennelemente der Schüttung, und sie haben die Aufgabe, zwischen den Brennelementen vorgesehene Kugeln aus Moderatormaterial, deren Durchmesser noch kleiner ist als der der Blindkugeln, daran zu hindern, in die Gasdurchirittsöffnungen zu gelangen. Da das Kühlgas die Schüttung in horizontaler Richtung durchströmt liegen hier beim Austreten des Kühlgases aus dem Reaktorkern ganz andere Verhältnisse in bezug auf die Temperaturverteilung im Kühlgas vor.

Zum Stand der Technik gehört ferner ein aus der US-Patentschrift 30 34 689 bekannter gasgekühlter

Kugelhaufenreaktor, dessen Kern aus sechs einen Mittelraum umschließenden hohlen Graphitzylindern aufgebaut ist, Die Brennelemente befinden sich sowohl in den Graphitzylindern als auch in dem Mittelraum. Die Graphitzylinder dienen als Seitenreflektor, dessen Material somit ungeschützt dem schnellen Neutronennuß ausgesetzt ist. Außerhalb des Reflektors, und zwar in einem Ringraum, der von diesem und einem thermischen Schild begrenzt ist, sind kugelförmige Brutelemente aufgeschüttet Sie werden gemeinsam mit den Brennelementen aus dem Reaktorkern abgezogen, während ihre Zugabe getrennt von den Brennelementen erfolgt Das Kühlgas strömt von oben nach unten sowohl durch die Brennelement- als auch durch die Brutelementschüttung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Kernreaktor der eingangs geschilderten Art eine Maßnahme zum Schütze des Reflektormantels vor einer zu hohen Dosis an schnellen Neutronen vorzusehen, die sich möglichst wenig auf die Gasaustrittstemperaturverteilung auswirkt

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die an den Reflektormantel angrenzende Randzone der Schüttung einen niedrigeren S'paltstoffgehalt als die innere Zone der Schüttung aufwei&t

Der geringere Spaltstoffgehalt in der Randzone führt zu einer Reduktion der Spaltrate in dieser Zone, wodurch sich eine geringere Leistungsdichte in dieser Region einstellt Die geringere Leistungsdichte hat gleichzeitig einen geringeren Fluß an schnellen Neutronen in der Randzone der Schüttung zur Folge, so daß die Dosisbelastung des Reflektormantels auf das gewünschte Maß herabgesetzt wird. Die in der Randzone erzeugte Leistung ist jedoch groß genug, um den Kühlgasstrom durch diese Region genügend aufzuheizen und damit einer ungleichmäßigen Kernaustrittstemperaturverteilung des Kühlgases entgegenzuwirken. Dadurch bleiben auch die Auswirkungen auf die maximalen Brennelementtemperaturen gering. Je höher die Leistungsdichte ist, die ein Kernreaktor erbringen soll, um so niedriger wird der Spaltstoffgehalt für die Randzone gewählt Er kann jederzeit während des Reaktorbetriebes durch geeignete Beschickungsmaßnahmen beeinflußt werden.

Es ist zwar bei Kernreaktoren bekannt, Zonen mit unterschiedlichem Spaltstoffgehalt einzurichten; doch war es bisher nur üblich, den Spaltstoffgehalt vom Inneren des Reaktorkerns nach außen hin anzuheben, um der Leistungsabnahme durch die Neutronenleckage zum Rand des Reaktorkerns hin entgegenzuwirken und dadurch eine Abflachung der radialen Leistungsverteilung zu erzielen. Auf diese Weise läßt sich ein nahezu konstantes radiales Gasaustrittstemperaturprofil erreichen; der Reflektormantel wird jedoch mit einer sehr hohen Neutronenstrahlendosis belastet

Für einen Kernreaktor mit einer Leistung von 1000 MW wird vorgeschlagen, eine 40—60 cm breice Randzone gemäß der Erfindung einzurichten und diese derart mit Betriebselementen (d. h. Brenn- und Graphitelementen) zu beschicken, daß ihr Spaltstoffgehalt 15-30% des mittleren Spaltstoffgehaltes der übrigen Schüttung beträgt Das läßt sich z. B. dadurch realisieren, daß der Anteil an Graphitelementen innerhalb der Randzone gegenüber der inneren Zone der Schüttung vergrößert wird. Die Erfindung kann besonders einfach verwirklicht werden, da für die Randzone die gleichen Betriebselemente benutzt werden können wie für die innere Zone der Schüttüntj.

Durch Anwendung der Erfindung kann einerseits die mittlere Leistungsdichte im Reaktorkern einschließlich der Randzone ungefähr verdoppelt werden, ohne daß die Grenzwerte für die Dosisbelastung des Reflektor· mantels überschritten werden; andererseits wird bei einer Absenkung der Leistungsdichte in der Randzone auf 15—30% der im Kern-Inneren vorhandenen Leistungsdichte noch genügend Wärme in dieser Region erzeugt, um den nachteiligen Effekt der ungleichmäßigen Kemaustrittstemperaturverteiiung stark zu reduzieren.

Vorteilhafterweise wird der Radius der Brenaelement-Schüttung gegenüber dem Kern der bisher üblichen Kugelhaufenreaktoren vergrößert, und zwar bei dem angebebenen Beispiel (1000 MW Reaktorleistung, Randzone von 40—60 cm Breite, 15—30% des mittleren Spaltstoffgehalts) um ungefähr 20 cm. Durch diese Vergrößerung des Kernradius verringert sich die mittlere Leistungsdichte bei Einrichtung der Randzone von 10 auf 9,1 MW/m³. Gleichzeitig erhöht sich das Moderaticiisverhältnis, und die Leckage nimmt geringfügig ab.

Die zulässige Leistungsdichte des Re: xtorkerns, die von der Neutronendosisbelastung des Reflektormantels begrenzt wird, kann also bei einem Reaktor gemäß der Erfindung von 4—5 MW/m³ auf über 9 MW/m³ gesteigert wcden. Der Brennelement-Anteil in der Randzone wird dabei so festgelegt, daß bei konstant gehaltenem mittlerem Brennelementanteil in der Schüttung von beispielsweise 79% der Brennelementanteil in dieser 40 cm breiten Zone nur etwa ein Viertel desjenigen in der übrigen Schüttung beträgt. Daraus ergibt sich für die Randzone ein Brennelementanteil von 20% gegenüber 83% in der übrigen Schüttung. Trotz ihrer Breite von 40 cm stellt sich daher für die Randzone nur ein Mehrbedarf an Graphit- oder Blindkugeln ein, der einer Randschicht von 20 cm Dicke eines herkömmlichen Reaktors entspricht.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind im Randbereich des den Reaktorkern nach unten abschließenden Bodenreflektors Einrichtungen zur Drosselung des Kühlgasstromes vorgesehen, wodurch zusätzlich eim. Vergleichmäßigung der Kernaustrittstemperaturverteilung bewirkt wird. Bei entsprechend gewählter Drosselung kann erreicht werden, daß die Gasaustrittstsmperatur im Bereich der Randzone nur wenig gegenüber dem übrigen Bereich der Schüttung abgesenkt ist.

Besonders vorteilhaft wirkt sich die Erfindung aus, wenn die Brennelemente des Kernreaktors bereits nach einmaligem Durchlaufen des Kerns den gewünschten Endabbrand erreicht haben. Bei einem solchen Reaktor, der sehr einfach und wirtschaftlich betrieben werden kann, kommt es beim einmaligen Durchgang der S-em'ilomente in axialer Richtung zu einer ausgeprägten Leistungsspitze im oberen Drittel des Reaktorkerns, durch die der Rfciiektormantel besonders gefährdet wird. Um diese Gefährdung auszuschließen, müßte bei einem Kernreaktor der herkömmlichen Art die Reaktorleistung bedeutend herabgesetzt werden. Die Anwendung der vorliegenden Erfindung gestattet es jedoch, Reaktoren großer Leistung und mit hoher Leistungsdichte zu bauen, ohne daß der Reflek.ormantel in unzulässiger Weise durch Neutronenstrahlung belastet wird.

In der Zeichnung Kt in der

F i g. I ein Ausführungsbeispiel eines Reaktors gemäß der Erfindung schematisch dargestellt.

F i g. 2 zeigt eine graphische Darstellung des schnellen Neutronenflusses Ober den Reaktorquerschnitt bei einem Reaktor mit 2-Zonen-Kern.

In der Fig. I ist der Kern 1 eines Reaktors zu erkennen, der aus einer Vielzahl von kugelförmigen Betriebselementen (Brenn- und Graphitelementen) aufgeschüttet ist. Die Betriebselemente werden durch eine oberhalb des Kerns angeordnete Beladevorrichtung 2 in den Kern 1 eingebracht und durch ein Abzugsrohr 3 wieder aus dem Kern entfernt und in «inem Sammelbehälter 4 befördert. An die Beladevor richtung 2 schließen sich Zuführiingsrohre 5,6 und 7 an, von denen das zentral angeordnete Rohr 6 die innere Zone 8 des Kerns mit Betriebselementen versorgt, während die Zuführungsrohre 5 und 7, die gleichmäßig um die Achse des Kerns 1 verteilt sind, die Randzone 9 mit Betriebselementen beschicken. An die Randzone 9 schließt sich der Reflektormantel 10 aus Graphit an. Nach oben wird der Kern t von einem Deckenreflektor 11 begrenzt, und den Abschluß nach unten bildet ein Bodenreflektor 12. Die gesamte Anordnung — Kern und Reflektorbauten - ist von einem zylindrischen Spannbetonbehälter 13 umgeben. Der Reaktor wird mittels Regel- oder Abschaltstäben 14 gesteuert, die durch den Deckenreflektor 11 geführt sind und direkt in die Schüttung der Betriebselemente eingefahren werden. Die Antriebe 15 für die Regel- oder Abschaltstäbe 14 sind oberhalb des Spannbetonbehälters 13 angeordnet, in denen zur Übertragung der Antriebskräfte auf die Stäbe mehrere Durchbrüche 16 vorgesehen sind. Weitere Durchbrüche gestatten die Durchführung der Kühlgasleitungen 17 und 18; durch die Leitungen 17 wird das Kühlgas in einem Raum oberhalb der Schüttung geführt, strömt dann von oben nach unten durch die Schüttung hindurch und wird durch die Leitungen 18 wieder aus dem Reaktorkern 1 abgesaugt, !n den Rohrleitungen 18 können im Randbereich des Bodenreflektors 12 Drosseleinrichtungen angeordnet sein (nicht dargestellt), durch die die Gasströmung in der Randzone 9 verlangsamt wird, so daß sich das Kühlgas genügend aufheizen kann. Erfindungsgemiß ist die an den Reflektormantel 10 angrenzende Randzone 9 der Schüttung mit Betriebselementen bestückt, die einen größeren Anteil an Graphit- oder Blindelementen aufweisen als die innere Zone 8 des Kerns 1. Bei einem Kernreaktor mit einer Leistung von 1000 MW ist diese Zone 40—60 cm breit

to (in der Zeichnung der Übersichtlichkeit wegen stark vergrößert dargestellt). Das Verhältnis Brennstoffkugeln/Graphitkugeln ist so gewählt, daß der Spaltstoffgehalt der Randzone 9 ca. 15 — 30% des mittleren Spaltstoffgehaltes der inneren Zone 8 beträgt.

!■> In der Fig. 2 wird an Hand einer graphischen Darstellung gezeigt, wie durch die Reduzierung des Spaltstoffgehalts in der Randzone 9 der Fluß der schnellen Neutronen in diesem Bereich herabgesetzt wird. In der Abszisse ist der Radius des Reaktorkerns aulgetragen (und zwar eines 2-Zonen-Kems), während die Ordinate den radialen schnellen Neutronenfluß in willkürlichen Einheiten wiedergibt. Die gestrichelte Kurve zeigt die Verhältnisse bei einem Reaktor mit 2-Zonen-Kern der herkömmlichen Bauart, d. h. ohne eine spaltstoffärmere Randzone. Der Reflektormantel schließt sich gleich an die Außenzone des Kerns an.

Die ausgezogene Kurve wurde für einen Reaktor ermittelt, dessen Kern außer einer Innen- und einer Außenzone noch eine Randzone besitzt, die gemäß der Erfindung einen niedrigeren Spaltstoffgehalt als die übrige Schüttung aufweist. Gegenüber dem herkömmlichen Reaktor ist der Radius der Schüttung des erfindungsgemäßen Reaktors um 20 cm vergrößert. Der Anteil der Brennelemente in der 40—50 cm breiten

·*> Randzone beträgt 20% (gegenüber 83% in der übrigen Schüttung). Aus der Darstellung ist deutlich zu erkennen, daß die schnelle Neutronendosis am Reflektormantel beträchtlich herabgesetzt ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

1. \, Kernreaktor mit einer Behauung von kugelförmigen Betriebselementeny die von einem Reflektormantel umgeben ist und.von oben nach unten von einem gasförmigen Kühlmittel; durchströmt wird, dadurch gekennze{chni|t, daß die an den Reflektormantel (to) angrenzende Randzone (9) der SchOttung (1) einen niedrigeren Spaltstoffgehalt als⁷ die innere Zone (8) der Schüttung (1) aufweist,
2. 2. Kernreaktor nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß die Randzone (9) eine Breite von 40—60 cm umfaßt und ihr Spaltstoffgehalt 15—30% des mittleren Spaltstoffgehaltes der übrigen Schüttung beträgt IS
3. 3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Randzone (9) einen größeren Anteil an Graphit- oder Blindelementen enthält als die innere Zone (8) der Schüttung (1).
4. 4. Kernreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dtÖ für die Randzone (9) die gleichen Betriebselemente verwendet werden wie für die innere Zone (8) der Schüttung (1).
5. 5. Kernreaktor nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der Brennelement-Schüttung gegenüber der Schüttung eines herkömmlichen Kernreaktors vergrößert ist.
6. 6. Kernreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vergrößerung ca. 20 cm beträgt
7. 7. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Randbereich des Bodenreflektors (12) Einrichtungen zur Drosselung des Kühlgasstromes vorgesehen sind.
8. 8. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dessen Brennelemente bereits nach einmaligem Durchlaufen des Reaktors den gewünschten Endabbrand erreicht haben.