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Vergleichmäßigung des Fließens von Kugeln im Kugelhaufenreaktor Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vergleichmäßigung des Fließens
von Kugeln in einem sogen.
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Kugelhaufenreaktor, insbesondere in einem Reaktor großer Leistung
und mit nur einem Kugelabzug. Ein kleiner Versuchsreaktor dieser Art, der sogen.
AVR-Reaktor in Jülich wird in der Zeitschrift Ätomwirtschaft, 1966 im Heft 5 auf
den Seiten 218 bis 271 beschrieben. Ein weiterer Kugelhaufenreaktor dieser Art,
der sogen. THTR-Reaktor in Uentrop, wird in der Atomwirtschaft vom Mai 1971 auf
den Seiten 235 bis 246 beschrieben. Auf Seite 237 wird als zweckmäßige Weiterentwicklung
dieser beiden Reaktoren auf das sogen.
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Otto-Programm (once through then out) hingewiesen, "bei dem die Brennelemente
nur einmal von oben nach unten durch das Core wandern. Bei diesem Programm müßten
zwar die Brennelemente des Erst-Cores entsprechend ihrer Lage im Core für einen
sofortigen Vollastbetrieb verschieden hoch angereichertes Uran besitzen, jedoch
könnten die entsprechend dem Abbrand nachzufüllenden Brennelemente gleiche Anreicherung
aufweisen. Die aus dem Core abgezogenen Brennelemente wären dann abgebrannt und
könnten dem Kreislauf entnommen werden. Die betriebliche Beschickung.und die Entnahmeanlage
könnten dann sehr einfach gehalten werden, da die Umwälzung des Cores und die Abbrandmessung
fortfallen könnten. Entsprechende Untersuchungen
werden in der
Kernforschungsanlage Jütich angestellt." Die weiteren Vorteile dieses Otto-Programms
werden in der deutschen Offenlegungsschrift 21 23 894 näher beschrieben.
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Sowohl der AVR- als auch der THTR-Reaktor haben ein zylindrisches
Core, das im unteren Bereich in einen Trichter übergeht, an dessen unterer Spitze
sich eine Abzugsvorrichtung für die Brennstoffkugeln befindet. Die bisherigen Versuche
mit einer solchen einzigen und zentralen Abzugsvorrichtung haben aber gezeigt, daß
sich das gewünschte Otto-Programm mit dieser Abzugsvorrichtung allein nicht in kerntechnisch
sinnvoller Weise verwirklichen läßt. Bei kontinuierlichem Abzug der Brennstoffkugeln
mit einer in Bezug auf den Corequerschnitt mittleren Geschwindigkeit von ca. 0,5
cm/d ist die Geschwindigkeit der Kugeln im zentralen Bereich des Cores ca. 6-fach
größer als in den Randbereichen. Daher müßte man bei den Brennstoffkugeln im zentralen
Bereich des Reaktors entweder mit einem geringerem Abbrand zufrieden sein, oder
diese Kugeln erneut dem Reaktor von oben zuführen und damit auf die wesentlichen
Vorteile des sogen. Otto-Programms verzichten, nämlich auf den über den Querschnitt
gleichmäßigen Abbrand.
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Um den gleichmäßigen Abzug der Kugeln über dem Corequerschnitt zu
verbessern, ist bereits versucht worden, im unteren Core-Bereich drei oder mehrere
Abzugsvorrichtungen anzuordnen, die jeweils zu mehreren auf einem Radius angeordnet
sind. Ganz abgesehen von der Tatsache, daß die Anzahl dieser Kugelabzugsvorrichtungen
nicht beliebig vermehrt werden kann, weil diese Abzugsvorrichtungen einen erheblichen
konstruktiven Aufwand und damit wesentliche Kosten verursachen, haben entsprechende
Versuche gezeigt, daß eine Vergrößerung der Anzahl der Abzugsvorrichtungen noch
nicht das erwünschte gleichmäßige Fließen der Kugeln gewährleistet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die mit dem ungleichmäßigen
Fließen der Kugeln verbundenen Nachteile zu
vermeiden, und mit geringem
konstruktivem Aufwand eine annähernd konstante Vertikalgeschwindigkeit der Kugeln
über den Querschnitt zu erreichen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Vergleichmäßigung
des Fließens von Kugeln in einem Kugelhaufenreaktor großer Leistung vorgeschlagen,
bei der in einem an sich bekannten trichterförmigen Auslauf ein innerer kegelähnlicherKörper
mit der Spitze nach oben derart angeordnet ist, daß die Kugeln unterhalb dieses
Körpers zu einem zentralen Abfluß fließen können. Dieser Körper sollte in Bezug
auf seine senkrechte Achse eine annähernd rotations-symmetrische Form aufweisen.
Mit Rücksicht auf-seine Herstellung aus einem sehr hitzebeständigem Material, beispielsweise
Graphit, kann er auch im Querschnitt die Form eines regelmäßigen Vielecks aufweisen.
Modellversuche haben gezeigt, daß bei dieser Anordnung eine weitgehend konstante
Vertikalgeschwindigkeit der Kugeln im Core erreicht wird, zumindestens solange,
bis die Kugeln bei ihrer Abwärtsbewegung eine Position erreichen, die einer Höhe
von ca. 0,2 des Core-Durchmessers oder weniger entspricht. Das bedeutet, daß ein
möglichst großes Höhen/Durchmesser-Verhältnis der Kugelschütthöhe im Core angestrebt
werden sollte, um diese Position möglichst spät zu erreichen.
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Da die Druckverluste des Kühlmediums innerhalb der Brennstoffschüttung
kubisch von der Core-Höhe abhängen, kann bei Vergrößerung der thermischen Leistung
eines Kugelhaufenreaktors die Höhe nicht beliebig vergrößert werden. Daher muß ein
Kugelhaufenreaktor größerer Leistung zwangsläufig ein kleineres Höhen/Durchmesser-Verhältnis
aufweisen. Diese Tatsache unterstreicht die Notwendigkeit eines möglichst gleichmäßigen
Kugelfließens bei Reaktoren größerer Leistung.
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In spezieller Ausgestaltung der Erfindung, wobei der Core-Behälter
eine zylindrische Form aufweist, wird vorgeschlagen, * am Coreboden
daß
der innere kegelähnliche Körper einen Durchmesser aufweist, der etwa die Hälfte
des zylindrischen Kerndurchmessers beträgt.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin,
daß man mit dem Durchmesser des inneren kegelähnlichen Körpers ein eventuell gewünschtes
Geschwindigkeitsprofil über dem Reaktorquerschnitt erzeugen kann.
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Je größer der Durchmesser des inneren kegelähnlichen Körpers gegenüber
dem Core-Durchmesser gewählt wird, um so größer wird die Geschwindigkeit der Kugeln
im Randbereich gegenüber den Kugeln im zentralen Bereich des Cores.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der
innere kegelähnliche Körper einen rhombusähnlichen Längsschnitt mit abgerundeten
Ecken aufweist. Diese Form ist auf statischen Gründen günstiger als ein Kegel mit
ebener Bodenfläche.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß sich
der innere kegelähnliche Körper mit mehreren Säulen auf den unteren Core-Boden abstützt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß sich
der innere kegelähnliche Körper mit mehreren radialen Stegen auf den unteren Core-Boden
abstützt.
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Diese Abstützung des kegelähnlichen Körpers ist von wesentlicher Bedeutung.
Einerseits muß sie das Gewicht des Körpers einschließlich der darauf liegenden Kugelschüttung
aufnehmen, andererseits darf der Abfluß der Kugeln nicht behindert werden. Insbesondere
sollen weder einzelne Kugeln noch Bruchstücke von einzelnen Kugeln für längere Zeit
festgehalten werden.
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Im folgenden werden die Vorteile der Erfindung zusammengefaßt:
Aufgrund
des gleichmäßigen Kugelfließens bis in den untersten Bereich des Cores ergibt sich
ein gleicmäßiger Abbrand aller.Brennstoffkugeln sowie ein rotations-symmetrischer
Leistungs-, Temperatur- und Flußverlauf.
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Aus denselben Gründen ist auch eine rotationssymmetrische Beschickung
möglich.
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Die Spaltprodukt-Freisetzung wird geringer, da die Verweilzeiten
auch einzelner Brennelemente im Core herabgesetzt werden.
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Im unteren Bereich des Cores ist keine Flußüberhöhung durch nur wenig
abgebrannte Brennstoffkugeln zu erwarten, daher genügt eine geringere Einfahrtiefe
der Abschaltstäbe.
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Die in den Kugelhaufen einfahrenden Regelstäbe werden nicht mehr
durch Querkräfte aufgrund einer Horizontal-Komponen*e der Kugelbewegung belastet.
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Der vertikale Druckverlauf des Kühlmediums in der Kugelschüttung
wird gleichmäßiger.
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Auch bei Kugelhaufenreaktoren größerer Leistung genügt ein zentrales
Kugelabzugsrohr. Gegenüber den bereits vorgeschlagenen zahlreichen Abzugsrohren
sind erhebliche Kostensenkungen und sicherheitstechnische Vorteile zu erwarten.
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Der Einbau eines voluminösen kegelähnlichen Körpers verringert die
Anzahl der im-nicht aktiven Teil des Cores vorhandenen Kugeln.
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Die Figuren 1, 2 und 3 zeigen schematische Ausführungsbeispiele der
Erfindung.
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Figur 1 zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch einen Kugelhaufenreaktor
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Figur 2 zeigt in der rechten Hälfte einen senkrechten Längsschnitt
und in der linken Hälfte eine Ansicht einer speziellen Ausführung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
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Figur 3 zeigt entsprechend Schnitt A-A eine Ansicht von unten auf
die erfindungsgemäße Vorrichtung in Figur 2.
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Der zylindrische Core-Behälter 1 geht an seinem unteren Ende in einen
trichterförmigen Auslauf 2 über, der wiederum in einem einzigen zylindrischen Ablauf-Rohr
3 von geringem Durchmesser endet. Der Core-Behälter 1 wird von oben über mehrere
Beschickungsöffnungen 4 mit den Kugeln 5 gefüllt.
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Der zylindrische Teil der Kugelschüttung hat ein Höhen/ Durchmesser-Verhältnis
H/D von ungefähr 0,5. Im unteren trichterförmigen Auslauf 2 des Core-Behälters 1
ist ein kleinerer Kegel 6 auf Säulen 7 angeordnet, dessen Spitze nach oben zeigt
und dessen größter Durchmesser einen für den Durchtritt der Kugeln 5 ausreichenden
Abstand von der Wand des trichterförmigen Auslaufs 2 aufweist. Bei der für große
Leistungsreaktoren vorgesehenen Durchströmung der Kugelschüttung von oben nach unten,
wird nicht nur der trichterförmige Auslauf 2 des Core-Behälters 1 sondern auch der
vorgeschlagene Kegel 6 aus Graphit-Blöcken aufgebaut, die zahlreiche senkrechte
Kanäle für den Durchtritt des Kühlmediums aufweisen. Die Spitze des Kegels 6 sollte
aus kernphysikalischen Gründen etwa mit der Höhe des trichterförmigen Auslaufs 2
abschließen.
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Die Figuren 2 und 3 zeigen einen rotations-symmetrischen Körper 8
mit einem rhombusähnlichen Längsschnitt, der mit zahlreichen radialen Stegen auf
dem trichterförmigen Auslauf 2 des Core-Behälters 1 ruht. Zur-Erleichterung der
Darstellung ist dieser Körper von dem trichterförmigen Auslauf 2 getrennt dargestellt.
Tatsächlich kann er zusammen mit diesem trichterförmigen Auslauf 2 aufgebaut werden.
Zwischen den radialen Stegen 9, die die tragende Verbindung zum trichterförmigen
Auslauf 2 herstellen, sind zahlreiche tunnelartige Kanäle 10 angeordnet, die für
den Abfluß der Kugeln zur Mitte hin sorgen. Um die Darstellung nicht
unübersichtlich
zu gestalten, sind einige für den störungsfreien Abfluß der Kugeln notwendigeg Teile
weggelassen. Vor den radialen Stegen 9 und zwar zwischen den öffnungen zu den tunnelartigen
Kanälen 10 müssen jeweils dachförmige Körper angeordnet sein, damit keine Kugeln
oder Bruchstücke von Kugeln zwischem dem Körper 8 und dem trichterförmigen Auslauf
2 des Core-Behälters 1 liegen bleiben können. Es -liegt im Rahmen der Erfindung,wenn
der rotations-symmetrische Körper 8 mit dem rhombusähnlichen Längsschnitt keine
Kanäle 10 aufweist, sondern diese Kanäle in nicht dargestellter Weise in dem trichterförmigen
Auslauf angeordnet sind.