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Reflektorkühlung für Kugelhaufenreaktoren Die vorliegende Erfindung
betrifft einen Kugelhaufenreaktor großer Leistung für hohe Temperaturen, dessen
Kugelschüttung von einem Graphit-Reflektor umgeben ist. Insbesondere betrifft die
vorliegende Erfindung auch einen Kugelhaufenreaktor nach dem sogen. Otto-Programm,
bei dem die Brennstoff-Kugeln den Reaktor nur einmal durchlaufen und dessen Reaktorraum
vom Kühlmedium von oben nach unten durchströmt werden soll. Bei einem solchen Reaktor
wird im Bereich der noch frischen Brennstoff-Kugeln, also etwa in der oberen Hälfte
des Reaktor-Cores ein sehr hoher Neutronenfluß erzeugt, der oberhalb einer bestimmten
Temperatur zu einer allmählichen Zerstörung des Graphit-Reflektors führt. Insbesondere
bei den zur Erzeugung von Prozeßwärme vorgesehenen Kugelhaufenreaktoren sollen Gasaustrittstemperaturen
von ca. 1.0000 C erreicht werden. Bei den dafür erforderlichen hohen Temperaturen
im Core wird aber das durch den hohen Neutronenfluß verursachte Wachsen des Reflektor-Graphits
beschleunigt und damit werden innerhalb des Reflektors Zwangsspannungen verursacht,
die vermieden werden müssen. Um den inneren Seitenwandreflektor zu schützen, kann
man eine vertikal durchlaufende äußere Kugelschicht vorsehen, die entweder mittels
der für die Brennstoff-Kugeln vorgesehenen Ab zugs vorrichtungen oder mittels spezieller
Abzugsvorrichtungen
in einem bestimmten Zeitraum ausgetauscht werden
kann. Weiterhin ist es möglich, den inneren Seitenwandreflektor durch besondere
Vorrichtungen nach Ablauf seiner Lebensdauer auszutauschen. Beide Lösungen bedingen
einen erheblichen Aufwand, der Austausch des massiven Seitenwandreflektors durch
besondere Vorrichtungen erfordert auch eine Betriebsunterbrechung, was insbesondere
bei großen Leistungsreaktoren unerwünscht ist.
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Die spezifischen Beanspruchungen des Reflektors werden von Elter in
der Dissertation: "Festigkeit des Reflektors des Kugelhaufenreaktors" vom 4.6.1973
an der RWTH Aachen beschrieben.
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In den deutschen Patentanmeldungen 15 39 917 und 15 64 186 wird vorgeschlagen,
die aus Stahl bestehende Tragkonstruktion des Reaktor-Cores durch eine Graphitschicht
zu schüten und in dieser Graphit-Schicht Kühlkanäle vorzusehen, die zwangsläufig
vom kalten Kühlmedium durchströmt werden. In der letzteren Patentanmeldung wird
auch vorgeschlagen, senkrechte Metallstützen, die den Seitenwandreflektor umgeben
und zusammenhalten, mit Kühlmedium im Nebenstrom, das vom Eintritt in den Reaktor
abgezweigt wird, zu kühlen. Mit diesen beiden Patentanmeldungen wird jedoch nicht
das Problem der vorliegenden Erfindung, nämlich der Schutz des Seitenwandreflektors
bei hohem Neutronenfluß gelöst.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Kugelhaufenreaktor großer
Leistung für hohe Teiperaturen, insbesondere zur Erzeugung von Prozeßwärme, dessen
Kugelschüttung von einem massiven Graphit-Reflektor umgeben ist,~4aessen Seitenwandreflektor
im Bereich eines hohen Neutronenflusses gegen das Auftreten von Zwangs spannungen
geschützt ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daS der Seitenwandreflektor
in der Nähe seiner Innenwand und im Bereicn
eines hohen Neutronenflusses
Kühlkanäle enthält. Durch diese Kühlkanäle soll die Reflektortemperatur wesentlich
gesenkt werden, was eine beträchtliche Verlängerung der Lebensdauer des Reflektors
bedeutet. Diese Kühlkanäle können achsenparallel, entweder im Gegenstrom oder im
Gleichstrom zum Hauptkühlmittelstrom im Reaktor durchströmt werden, sie können aber
auch radial oder teilweise tangential angeordnet werden und von der Außenwand des
Reflektors durch kaltes Kühlmittel beaufschlagt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß diese
Kühlkanäle in den ohnehin vorhandenen senkrechten Spalten zwischen den einzelnen
Blöcken des Seitenwandreflektors angeordnet sind. Durch diese Anordnung wird die
Fertigung der Künlkanäle erleichtert.
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In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß
diese Kühlkanäle zumindestens auf einem Teil ihrer Länge mit dem Reaktorinnenraum
in Verbindung stehen. Die offene Verbindung des in den senkrechten Spalten zwischen
den Graphit-Blöcken angeordneten Kühlkanals mit dem Reaktorinnenraum läßt zunächst
vermuten, daß das Kühlmedium schon beim Eintritt in den oberen Seitenwandreflektor
zum Reaktorinnenraum abfließen wird, ohne die weiter unten liegenden Bereiche des
Seitenwandreflektors zu kühlen. Berechnungen haben aber gezeigt, daß der Druckverlust
in der Kugelschüttung aufgrund der ständigen Umlenkungen zwischen den Brennstoff-Kugeln
und aufgrund der dort vorhandenen höheren Temperatur and der damit verbundenen höheren
Viskosität des Kühlmediums dort wesentlich größer ist als in den glatten und durchgehenden
Kühlmittelkanälen im Seitenwandreflektor.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die
Kühlkanäle unterhalb des Bereiches hohen Neutronenflusses in die Kugelschüttung
umgelenkt sind. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß die an sich kalten Kühlmittelströme
mit dem Hauptkühlmittelstrom vermischt werden.- Bei dem zur Kühlung von Kugelhaufenreaktoren
verwendeten Helium hat sich gezeigt, daß einzelne kalte Kühlmittelsträhnen ihre
Temperatur in einem größeren Kühlmittelkanal beibehalten und
an
stromabwärts gelegenen Stellen unerwünschte Temperaturänderungen verursachen. Wenn
man dagegen die kalten Kühlmittelströme noch im Bereich der Kugelschüttung in den
Reaktor zurückleitet, beispielsweise in der unteren Hälfte des Cores, so wird sichergestellt,
daß sich diese kalten Künlmittelsträhnen durch die ständigen Umlenkungen in der
Kugelschüttung mit dem heißen Kühlmittel ausreichend vermischen.
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In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß
der Querschnitt dieser Kühlkanäle von oben nach unten abnimmt. Durch diese allmähliche
Verringerung des Querschnitts wird das Kühlmittel über einen größeren Bereich der
Höhe zum Austritt in den Kugelhaufen gezwungen und somit eine gute Vermischung der
kalten Gassträhnen mit dem heißeren Gas gewänrleistet. Diese -Verringerung des Querschnitts
sollte erst unterhalb des Bereichs mit dem höchsten Neutronenfluß einsetzen.
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Durch diese mit geringem Aufwand durchführbare Anordnung von Kühlkanälen
im Seitenwand-Reflektor wird dessen Be triebs zeit erheblich verlängert. Alternativ
kann die Leistungsdichte des Reaktors erhöht werden und es kann auf den nur mit
erheblichem Aufwand aus b aub aren Reflektor verzichtet werden.
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Die Figuren 1 bis 4 zeigen mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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Figur 1 zeigt in vereinfachter Darstellung einen senkrechten Längsschnitt
durch einen gasgekühlten Kugelhaufenreaktor, der mittels Helium im Abwärtsstrom
gekühlt wird.
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Figur 2 zeigt in einem waagerechten Quersciinitt durch einen Teil
des Seitenwand-Reflektors die segmentförmigen Graphit-Blöcke mit den darin angeordneten
Kühlkanälen.
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Figur 3 zeigt in einem senkrechten Schnitt durch einen Graphit-Block
des unteren Seitenwand-Reflektors, wie die Kühlkanäle allmählich in die Kugelschüttung
umgelenkt werden.
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Figur 4 zeigt mögliche Ausführungsformen der vorgeschlagenen senkrechten
KühlkanSle.
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In Figur 1 wird die Kugelschüttung 1 seitlich begrenzt durch einen
zylindrischen Seitenwandreflektor 2 aus Graphit, sowie durch einen trichterförmigen
Bodenreflektor 3, der in einem Kugelabzug 4 endet. Unterhalb des Bodenreflektors
3 ird das heiße Kühlmittel durch Heißgaskanale 5 zu den nicht dargestellten Wärmetauschern
geleitet und von dort durch Saltgaskanäle 6 und durch den Deckenreflektor 7 wieder
in die Kugelschüttung 1 geleitet.
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In Figur 2 wird die innere Lage des Seitenwandreflektors aus segmentförmigen
Graphit-Blöcken 8 gehildet, wobei in den senkrechten Spalten zwischen den einzelnen
Graphit-Blöcken die vorgeschlagenen Kühlkanäle 9 angeordnet sind. Weiter außen befindet
sich eine sogen. äußere Lage des Seitenwandreflektors bestehend aus den größeren
Graphit-Blöcken 10. Zwischen dieser äußeren Lage und dem anschließenden thermischen
Schild 11 befindet sich ein Gasspalt 12, der beispielsweise von unten nach oben
vom kalten Kühlgas durchströmt werden kann. Außerhalb des thernischaen Schildes
11 ist eine Isolierung 15 vorgesehen, die von einem nicht näher beschriebenen Druckbehälter
13 umgeben ist.
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Figur 4 zeigt verschiedene Ausgestaltungen der senkrechten Kühimittelkanäle
9 in den senkrechten Spalten zwischen den Graphit-Blöcken 8 der inneren Lage des
Seitenwandreflektors.
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Um eine Vorstellung über die Größe der vorgeschlagenen Kanäle zu geben,
werden einige kugelförmige Betriebselemente der Kugelschüttung 1 dargestellt. Die
nicht näher beschriebenen Dübei oder Keile 14 sollen die einzelnen Graphit-Blöcke
gegen Verschiebung sichern.