DE2408761C3 - Reaktorkern mit stabförmige!» Brennstoffzellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Reaktorkern mit stabförmigen Brennstoffzellen, die in Strömungsrichtung eines den Reaktorkern durchströmenden Kühlmittels gesehen in mehreren aufeinanderfolgenden Schichten angeordnet sind und schichtweise die gleiche Anzahl von Betriebsstunden im Reaktorkern aufweisen, und mit zur Regelung des Reaktorkerns vorhandenen Absorptionsstäben.

Bei einem bekannten Reaktorkern der obengenannten Art, insbesondere bei einem Reaktorkern eines gasgekühlten Reaktors, bei dem die Kühlmittel den Reaktorkern in axialer Richtung durchströmen, ist die von den äußeren Brennstoffzellen abgegebene Leistung wegen höherer Neutronenverluste im äußeren Bereich des Reaktorkerns gegenüber den Brennstoffzellen im mittleren Bereich stark reduziert. In axialer Richtung des Reaktorkerns stellt sich daher eine etwa kosinusförmige Leistungsverteilung ein. Eine solche Leistungsverteilung ist für den Betrieb des Kernreaktors nicht optimal. Es wird daher angestrebt, eine Leistungsverteilung zu erreichen, bei der im Kühlmitteleintrittsbereich des Reaktorkerns die maximalen Leistungsabgaben erzielt werden. Eine solche Leistungsverteilung bringt für den Reaktorbetrieb insbesondere deshalb Vorteile, weil dann das den Reaktorkern durchströmende Kühlgas infolge der sich in Strömungsrichtung langsam verringernden Leistungsabgabe bis dicht unterhalb der zulässigen Oberflächentemperatur der Brennstoffzellen aufheizbar ist. Außerdem lassen sich die Temperaturen der Brennstoffzellen sowohl an ihrer Oberfläche als auch zentral niedrig halten. Derartige Leistungsverteilunoen wurden bisher vor allem in Kugelhaufenreaktoren

verwirklicht.

Neben der ungünstigen Leistungsverteilung in axialer Richtung treten bei bekannten R.eaktorkernen mit stabförmigen Brennstoffzellen aber auch über der

Querschniitsfläche des Raktorkerns in radialer Richtung unerwünschte Leistungsdifferenzen auf. Die3e Leistungsdifferenzen sind einerseits durch die oben bereits erwähnten Neutronenverluste im Randbereich des Reaktorkerns bedingt. Es ist bekannt, die hier-

durch verursachten Leistungsdifferenzen durch entsprechende Auswahl verschiedener Brennstoffgemische jeweils für die im Randbereich, beziehungsweise im mittleren Bereich des Reaktorkerns gelegenen Brennstoffzellen auszugleichen. Anderer-

seits sind die radialen Leistungsdifferenzen aber darauf zurückzuführen, daß die Brennstoffzellen wegen der während des Reaktorbetriebes abfallenden Leistungsabgabe nach einer bestimmten Verweilzeit im Reaktorkern regionenweise ausgetauscht werden. Bei

no bekannten Reaktoren beträgt die mittlere Verweilzeit der einzelnen Brennstoffzellen etwa 4 bis 6 Jahre. Um einen möglichst gleichmäßigen Betrieb des Reaktors zu gewährleisten, werden in jedem Jahr ein Viertel bzw. ein Sechstel der Brennstoffzellen erneuert, so

:»5 daß jeweils die Region des Reaktorcores mit den jüngsten Brennstoffzellen die maximale Leistung abgibt. Dieser unterschiedlichen Leistung der einzelnen Coreregionen, die ohne eine zusätzliche Beeinflussung des Reaktorbetriebes zu einer unerwünschten

unterschiedlichen Aufheizung des Kühlmittels führen würde, wurde bisher dadurch begegnet, daß jeder Region eine gesonderte Regeleinrichtung zur Variation des Kühlgasstromes zugeordnet wurde. Der hierzu benötigte hohe apparative Aufwand schlägt sich nicht nur in den Herstellungskosten des Reaktors nieder, sondern bedingt auch hohe Kosten bei Betrieb des Reaktors. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der Reaktorkern wegen des regionenweisen Austausches der Brennstoffzellen eine sich von der Inbetriebnahme des Reaktors an über mehrere Jahre hinweg erstrekkende Einbrennphase aufweist.

Um der unerwünschten, unterschiedlichen Leistung in einzelnen Coreregionen zu begegnen, ist bereits bekanntgeworden, die Brennstoffzellen schichtweise nach Erreichen einer bestimmten, für alle Brennstoffzellen gleichen Anzahl von Betriebsstunden im Reaktorkern umzusetzen, so daß jede Brennstoffzelle nach und nach alle Schichten des Reaktorkerns durchwandert (CH-PS 441552). Dabei müssen jedoch umso ständliche und einen hohen Aufwand erfordernde Umschichtungsverfahren in Kauf genommen werden die den Betrieb des Reaktors erschweren. Nachteilig ist auch das Beibehalten einer Einbrennphase für der Reaktor.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Reaktor kern mit in Strömungsrichtung des Kühlmittels gese hen mehreren aufeinanderfolgenden, stabförmigei Brennstoffzellen die Leistungsverteilung im Reaktor kern sowohl in axialer als auch in radialer Richtunj zu optimieren, wobei in radialer Richtung eine weit gehend gleichmäßige Leistungsabgabe des Reaktor kerns angestrebt wird. Außerdem soll die Herstellun des Reaktors vereinfacht und ein Betrieb des Reaktor ohne das Auftreten einer Einbrennphase ermöglich werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung da von aus, daß sich unter der Bedingung weitgehen konstanter Leistungsverteilung im Reaktorkern war

end des Reaktorbetriebes die Leistungsabgabe einer Brennstoffzelle um so höher einstellen läßt, je kürzer jie Verweildauer des Biennelements im Reaktorkern jemessen ist. So lassen sich zwar z. B. mit an U 235 loch angereicherten Brennstoffzellen hohe Leiitungsabgaben erzielen, die Leistungen klingen aber innernalb verhältnismäßig kurzer Betriebszeit rasch

Hiervon ausgehend wird die Aufgabe der Erfindung bei einem Reaktor der eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, daß für von Schicht zu Schicht ein verschiedenes Brennstoffgemisch aufweisende Brennstoffzellen schichtweise jeweils unterschiedliche, nach einer vorgegebenen Leistungsverteilung vorbestimmte Verweilzeiten bis zum Erreichen des Endabbrandes im Reaktorkern vorgesehen sind, wobei die Brennstoffzellen mit der kürzesten Verweilzeit an der Kühlmitteleintrittsseite des Reaktorkerns angeordnet sind. Ein großer Vorzug der Erfindung besteht darin, daß die Verweilzeiten der Brennstoffzellen einer vorgegebenen Leistungsverteilung angepaßt sind, wobei die Leistungsverteilung dem optimalen Reaktorbetrieb entspricht. Ein weiterer Vorzug besteht darin, daß jeweils benachbarte Brennstoffzellen die gleiche Verweilzeit aufweisen. Das Auswechseln der Brennstoffzellen erfolgt daher beim erfindungsgemäßen Reaktor durch Austausch einer vollständigen Querschnittsschicht, so daß Leistungsdifferenzen in radialer Richtung im Reaktorkern wegen unterschiedlichen Alters der Brennstoffzellen nicht mehr auftreten. Hierdurch ergibt sich eine erhebliche Vereinfachung für den apparativen Aufbau des Reaktorkerns. Regelungseinrichtungen für eine regionale Steuerung des Kühlmittelstromes zum Ausgleich der sogenannten »Agefaktoren« entfallen.

Die erfindungsgeaiäße Maßnahme, die Brennstoffzellen mit der kürzesten Standzeit an der Kühlmitteleintrittsseite anzuordnen, entspricht nicht nur der Anpassung des Reaktorkerns an eine optimale Leistungsverteilung, wie sie bei Kugelhaufenreaktoren gegeben ist. Hierdurch ergibt sich auch eine große Vereinfachung beim schichtweisen Auswechseln der Brennstoffzellen. Die am häufigsten auszuwechselnden Brennstoffzellen sind am gut zugänglichen Randbereich des Reaktorkerns angeordnet.

Um die optimale Leistungsverteilung im Reaktorkern über der Betriebszeit konstant zu halten, ist es nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, in an sich bekannter Weise mit abbrennbaren Neutronengiften auf gleicher Leistung gehaltene Brennstoffzellen einzusetzen. Eine ändert erfindungsgemäße Variante zur Aufrechterhaltung der Leistungsvereilung ist durch die Verwendung von an sich bekannten Absorptionsstäben mit in Strömungsrichtung des Kühlmittels gesehen abnehmenden Absorptionsraten gegeben.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele eines Reaktorkerns gemäß der Erfindung wiedergegeben.

Es zeigt

Fig I Anordnung stabförmiger Brennstoffzellen unterschiedlicher Verweilzeit im Reaktorkern,

Fig. 2 Querschnitt einer Brennstoffzelle nach

Fig I

Fig. 3 axiale Leistungs- und Temperaturverteilung

im Reaktorkern nach Fig. 1, „ ,·■

Fig. 4 Verweilzeitschema und mit Kenngrößen tür das Brennstoffgemisch der Brennstoffzellen nach Fig. 5 Verweilzeitschema eines weiteren Ausführungsbeispiels.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, besteht der von einem Reflektor 1 umgebene Reaktorkern 2 aus mehreren Brennstoffzellschichten, die jeweils aus in Strömungsrichtung 3 des Kühlmittels gesehen, aufeinanderfolgenden Brennstoffzellen 4 bis 11 bestehen. Den Aufbau einer einzelnen Brennstoffzelle zeigt Fig. 2. Es handelt sich dabei um einen »10-row-Gra-¹Q phit-Block« mit 210 Brennstoffkanälen 12, die voneinander einen minimalen Abstand von 18,8 mm aufweisen. In den Brennstoffkanälen ist der Brennstoff in Form von beschichteten, sphärischen Brennstoffkernen, die von karburiertem Graphitpulver und Bin's der umgeben sind, eingelagert. Jeweils im Zentrum von 6, in Form eines Sechseckes angeordneten Brennstoffzellen 12 wird die Brennstoffzelle von Kühlkanälen 13 durchsetzt. Außerdem weist die Brennstoffzelle jeweils an den Eckpunkten des sechseckigen Blockes Kanäle 14 zum Einbringen abbrennbarer Neutronengifte auf. In der Mitte der Brennstoffzelle befindet sich ein Greiferloch 15 zum Einsetzen bzw. Herausheben der Brennstoffzelle.

Die vorbestimmte Verweilzeit der einzelnen »5 Brennstoffzellen 4 bis 11 im Reaktorkern 2 beruht auf der in Fig. 3 dargestellten, vorgegebenen axialen Leistungsverteilung 16 und ist aus dem Verweilzeitschema nach Fig. 4 ersichtlich. Die Verweilzeit der Brennstoffzellen ist auf der Abszissenachse des Schemas in Einheiten von 300 Tagen eingetragen. Danach beträgt die Verweilzeit der im Hochleistungsbereich des Reaktorkerns 1 angeordneten Brennstoffzellen 4 und 5 jeweils 300 Tage, die Verweilzeit der Brennstoffzellen 6 600 bzw. 300 Tage. Im Niederleistungsbereich sind für die Brennstoffzellen längere Verweilzeiten vorgesehen. Die Brennstoffzellen 6 werden nach Ablauf von 1200 Tagen, die Brennstoffzellen 8 bis 11 erst nach Ablauf von 2400 Tagen ausgewechselt. Die zuletzt angegebene Zeitspanne von 2400 Tagen entspricht gleichzeitig einer Betriebsperiode des Reaktorkerns. Nach dieser Zeitspanne wird der Reaktorkern durch Austausch aller Brennstoffzellen in den Zustand versetzt, der bei Inbetriebnahme des Reaktors vorlag.

Die Zusammensetzung des Brennstoffgemisches der im Reaktorkern verwendeten Brennstoffzellen bis 11 ist in Fig. 4 angegeben. Als Kenngrößen für das Brennstoffgemisch jeder Brennstoffzelle sind dimensionslose Bezugsgrößen jeweils zur Charakterisierung des Brutstoffgehaltes und des Spaltstoff gehaltes eingetragen. Es bedeuten

N_C/N_SM = mittlere Teilchendichte Graphit zu mittlerer Teilchendichte BrutsVoff und Spaltstoff.

E — Atomdichte des Spaltstoffes bezogen auf 55 Atomdichte von Brutstoff und Spaltstoff in Prozent.

Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß die Brennstoffzellen im Hochleistungsbereich mehr Spaltstoffe als die Brennstoffzellen im Niederleistungsbereich aufwei-6o sen. Die Zusammensetzung des Brennstoff gemisches der nach Ablauf der vorbestimmten Verweilzeit neu einzusetzenden Brennstoffzellen ist so gewählt, daß die Leistungsverteilung 16 im Reaktorkern konstant bleibt. Die mittlere Leistungsdichte des Reaktorcores 6₅ beträgt 8,3 MW/m³.

Die bei Betrieb des Reaktors auftretenden Tempe raturen innerhalb der Brennstoffzellen 4 bis 11 sine neben der axialen Leistungsverteilung 16 in Fig. :

dargestellt. Es bedeuten

Q = Leistung in axialer Richtung bezogen auf die mittlere Leistung des Reaktorkerns
T₁ = Brennstoff-Zentraltemperatur
T\ = Kühlmitteltemperatur
T₀ = Kühlkanal-Oberflächentemperatur
Bei weitgehend konstanter Brennstoff-Zentraltemperatur in allen Brennstoffzellen 4 bis 11, wird das den Reaktorkern 1 von der Kühlmitteleintrittsseite 17 zum Kühlmittelaustritt 18 durchströmende Kühlmittel auf etwa 850° C aufgeheizt. Dabei nimmt die Kühlkanal-Oberflächentemperatur T₀ von der Kühlmitteleintrittsseite bis zum Kühlmittelaustritt um etwa 200° C zu.

In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Aufbaues eines Reaktorkerns an Hand des für diesen Fall geltenden Verweilzeitschemas dargestellt. Die vorgegebene Verweilzeit der Brennstoffzellen im Niederleistungsbereich ist bei diesem Ausführungsbeispiel nur viermal so lang, wie die kürzeste Verweilzeit der im Hochleistungsbereich angeordneten Brennstoffzellen. Je nach technischer Anforderung und je nach erforderlicher und zweckmäßiger Wahl

ίο der Materialzusammensetzung der Brennstoffzellen des Reaktorkerns sind außer den in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Verweilzeitschemen weitere Verweilzeitschemen zur Durchführung des optimalen Betriebes des Reaktorkerns möglich.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Reaktorkern mit stabförmigen Brennstoffzellen, die in Strömungsrichtung eines den Reaktorkern durchströmenden Kühlmittels gesehen in mehreren aufeinanderfolgenden Schichten angeordnet sind und schichtweise die gleiche Anzahl von Betriebsstunden im Reaktorkern aufweisen, und mit zur Regelung des Reaktorkerns vorhandenen Absorptionsstäben, dadurch gekennzeichnet, daß für von Schicht zu Schicht ein verschiedenes Brennstoffgemisch aufweisende Brennstoffzellen (4 bis 11) schichtweise jeweils unterschiedliche, nach einer vorgegebenen Leistungsverteilung (16) vorbestimmte Verweilzeiten bis zum Erreichen des Endabbrandes im Reaktorkern (2) vorgesehen sind, wobei die Brennstoffzellen (4) mit der kürzesten Verweilzeit an der Kühlmitteleintrittsseite (17) des Reaktorkerns (2) angeordnet sind.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise mit abbrennbaren Neutronengiften auf gleicher Leistung gehaltene Brennstoffzellen verwendet sind.

3. Reaktorkern nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von an sich bekannten Absorptionsstäben mit in Strömungsrichtung des Kühlmittels gesehen abnehmenden Absorptionsraten.