DE2451748C2

DE2451748C2 - Gasgekühlter Kernreaktor mit einem Kern aus einer Schüttung kugelförmiger Brennelemente

Info

Publication number: DE2451748C2
Application number: DE2451748A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl.-Ing. Dr. 6905 Schriesheim Brandes; Heinz Dipl.-Ing. 6800 Mannheim Cramer; Rainer Dipl.-Phys. 6733 Haßloch Nicolai; Josef Dipl.-Ing. 7521 Hambrücken Schöning; Helmut 6800 Mannheim Verfürth; Winfried 6805 Heddesheim Wachholz
Original assignee: Hochtemperatur Reaktorbau 4600 Dortmund GmbH; Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Current assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Priority date: 1974-10-31
Filing date: 1974-10-31
Publication date: 1986-09-04
Also published as: JPS5165293A; JPS579039B2; DE2451748A1; GB1519836A; FR2290004B1; FR2290004A1

Description

Die Erfindung betrifft einen gasgekühlten Kernreaktor mit einem Kern aus einer Schüttung kugelförmiger Brennelemente, einem den Kern umgebenden, Decke, zylindrische Seitenwand und Boden umfassenden Reflektor, mit Einrichtungen zur Nachwärmeabfuhr und mit einer Einrichtung zum Regeln und Abschalten des Reaktors, bestehend aus in den Kern einfahrbaren Absorberstäben (Kernstäben) und in Ausnehmungen des Reflektors verfahrbaren Absorberstäben (Reflektorstäben), deren zugehörige Stellantriebe voneinander unabhängig und verschiedenartig sind, wobei die Reflektorstäbe zur Regelung vorgesehen und r.ur Einleitung von Abschaltvorgängen einsetzbar sind, bei denen der Reaktor bei dem augenblicklichen Temperaturniveau unterkritisch wird, und wobei die Kernstäbe für solche Abschaltvorgänge vorgesehen sind, die den Reaktor aus allen Betriebs- und Störfallzuständen heraus für beliebig lange Zeit kalt unterkritisch halten (Voll- oder Langzeitabschaltung).

Ein derartiger Kernreaktor ist aus der DE-OS 22 17 816 bekannt Um die Lebensdauer der Kernstäbe

ίο zu erhöhen sowie die aus dem Einfahren der Kernstäbe resultierende Belastung der Brennelemente wie auch der Reaktoreinbauten zu reduzieren, werden bei dem bekannten Kernreaktor viele Abschaltungsfälle ohne Kernstäbe ausgeführt, wobei der negative Temperaturkoeffizient der Reaktivität dieses Kernreaktors ausgenutzt wird. Die Erhöhung der mittleren Kerntemperatur führt bei einem Reaktor dieses Typs zu einer negativen Reaktivität, so daß im Reaktor praktisch keine Leistung durch Spaltung mehr erzeugt und er in den unterkritisehen Zustand gebracht wird. Das Aufheizen des Kerns erfolgt mittels der Produktion von Nachwärme, indem die Leäiiüiigsabiühr aus dein Kern unterbrochen wird, beispielsweise durch Abschalten der Kühlgebläse.

Bei vielen Abschaltfällen läßt sich die Ursache für das Abschalten des Reaktors in relativ kurzer Zeit erkennen und beheben, und der Reaktor kann im sogenannten Heißstart schnell wieder angefahren werden. Man spricht in solchen Fällerf von Schnell- oder Teilabschaltung. Um den Reaktor über die Teilabschaltung hinaus für längere Zeit kalt unterkritisch zu halten, d. h. also um eine Voll- oder Langzeitabschaltung vorzunehmen, ist jedoch das Einfahren der Kernstäbe erforderlich.

Der Abschaltvorgang kann bei dem bekannten Kernreaktor auch dadurch eingeleitet werden, daß zunächst einige der Reflektorstäbe eingefahren werden. Diese Maßnahme läßt den Reaktor zwar sofort unterkritisch werden, kann ihn aber ohne zusätzliche Maßnahmen nicht im unterkritischen Zustand halten, da die maximal von den Reflektorstäben aufbringbare negative Reaktivität begrenzt ist. Die im Reaktor vorhu.-idene und vom Reaktortyp und -größe zu Reaktortyp und -größe unterschiedliche Leistungsverteilung hat auf die Abschaltung einen entscheidenden Einfluß.
Infolge ihrer geringen negativen Reaktivität werden die Reflektorstäbe bei dem bekannten Kernreaktor zur Abschaltung nur in bestimmten Fällen zusätzlich zu der Erhöhung der mittleren Kerntemperatur eingesetzt, und zwar in solchen Fällen, in denen das Überschreiten betrieblicher Durchschnittstemperaturen vermieden werden muß. Das Einfahren von Reflektorstäben führt zu einer Erniedrigung der dem kritischen Zustand entsprechenden mittleren Kerntemperatur.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Kernreaktor der eingangs beschriebenen Bauart die durch die Reflektorstäbe eingebrachte negative Reaktivität zu erhöhen, so daß eine Schnell- oder Teilabschaltung allein mit Reflektorstäben möglich ist.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe werden erfindungsgemäß zwei Wege vorgeschlagen.

Der erste Lösungsweg ist dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorkern in radialer Richtung als Mehrzonenkern ausgebildet ist, dessen einzelne Zonen von der Mitte des Reaktorkerns ausgehend Brennelemente mit zunehmendem Spaltstoffgehalt aufweisen.

Durch die Anhebung der Neutronenfluß- und Leistungsverteilung am Rand des Reaktorkerns läßt sich eine hohe negative Reaktivität der Reflektorstäbe erzielen. Diese ist hinreichend groß, daß der unterkritische

Zustand des Reaktorkerns für einen längeren Zeitraum durch den Einsatz einer vorbestimmten Zahl von Reflektorstäben aufrechterhalten werden kann.

Der zweite Lösungsweg ist dadurch gekennzeichnet, daß konzentrisch zu der zylindrischen Seitenwand eine Mittelsäule als innerer Teil des Reflektors angeordnet ist, der ebenfalls Ausnehmungen für verfahrbare Absorberstäbe aufweist.

Anhand zweier Beispiele wird die Erfindung nachstehend erläutei-t Es zeigt

F i g. 1 einen gasgekühlten Kernreaktor mit einem Zweizonenkern im Längsschnitt,

F i g. 2 den Kern des Kernreaktors nach F i g. 1 im Querschnitt,

Fig.3 einen gasgekühlten Kernreaktor mit einer Mittelsäule im Längsschnitt und

Fig.4 die Mittelsäule nach Fig. 3 vergrößert in der Draufsicht

Der in F i g. 1 gezeigte Kernreaktor besteht im wesentlichen aus dem Spannbetonbehälter 1, dem Reaktorkern 2, den Dampferzeugern 3 und den für die Umwälzung des Kühlgases erforderlichen Kühl^asgebläsen 4. Kern 2, Dampferzeuger 3 und Kühlgasgebläse 4 sind in dem Spannbetonbehälter 1 angeordnet Der Reaktorkern 2 besteht aus einer Schüttung kugelförmiger Brennelemente, die über eine nicht näher gezeigte Beschickungsanlage oben dem Kern 2 zugegeben und unten über ein Abzugsrohr 5 aus dem Kern abgezogen werden. Je nach vorgegebener Verfahrensweise kann der Reaktor im sogenannten Mehrfachdurchlaufverfahren oder im Einfachdurchlaufverfahren betrieben werden. Bei dem Mehrfachdurchlaufverfahren werden di-Brennelemente nach relativ kurzer Verweilzeit im Kern 2 dem Reaktor entnommen, ihr Abbrandzustand wird gemessen und wenn der vorgegebene Endabbrand noch nicht erreicht ist, werden sie über die Beschickungsanlage dem Kern 2 erneut zugegeben. Beim Einfachdurchlaufverfahren werden in den Reaktor nur frische Brennelemente eingegebenen, und der Abzug der Brennelemente erfnlgt, wenn dieselben ihren Endabbrand erreicht haben. Es sind sechs Dampferzeuger 3 vorgesehen, die in gleichen Abständen den Kern 2 umgeben.

Der Kern 2 selbst ist von einem Reflektor umgeben, der aus einer Decke 6, einer zylindrischen Seitenwand 7 und einem Boden 8 besteht Die Steuerung und Regelung des Reaktors wird über Kernsi'ibe 9 und Reflektorstäbe 10 durchgeführt. Die Kernstäbe 9 werden direkt in die Kugelschüttung des Kerns 2 ein- bzw. ausgefahren. Die Reflektorstäbe 10 dagegen werden in besonderen Ausnehmungen 31 in <J^a.r zylindrischen Seitenwand 7 bewegt. Die Kernstäbe 9 werden pneumatisch und die Reflektor.*täbe 10 elektrisch angetrieben. Die Antriebe der Kernstäbe 9 und der Reflektorstäbe 10 sind voneinander unabhängig.

Der Kern 2 ist ein Mehrzonenkern, der eine erste innere Zone 21 und eine zweite äußere koaxiale Zone 22 hat. Die Brennelemente der äußeren Zone 22 haben einen höheren Spaltstoffgehalt als die Brennelemente der inneren Zone 21, so daß der radiale Neutronenfluß im Bereich der äußeren Zone 22 angehoben ist.

In der Fig.2 sind die Positionen der Kern- und Reflektorstäbe 9 und 10 angegeben. Die Kernstäbe 9 sind nach dem eingezeichneten Raster über die gesamte Fläche des Kerns 2 verteilt. Die Reflektorstäbe 10 sind auf einem Kreis in gleichen Abständen voneinander auf die Seitenwand 7 des Reflektors verteilt.

In der F i g. 3 ist ein Korn 2 für einen größeren Reaktor gezeigt, bei dem eine Mittelsäule 11 vorhanden ist.

Der Kern 12 selbst bildet einen etwa ringförmigen Raum, der in bekannter Weise durch eine Beschickungsanlage mit kugelförmigen Brennelementen beschickt wird. Die Brennelemente werden über mehrere, auf den Umfang des Kerns 2 gleichmäßig verteilte Zugaberohre 13 durch die Reflektordecke 6 zugegeben und über ebenfalls gleichmäßig verteilte Abzugsrohre 5 abgezo gen. Neben der zylindrischen Seitenwand 7, der Decke 6 und dem Boden 8 des Reflektors ist bei dieser Ausführungsform durch die Mittelsäule 11 ein weiterer Reflektorbereich gegeben, in dem in gleicher Weise wie bei der Seitenwanad 7 Ausnehmungen 18 für das Einfahren von Reflektorstäben 10 angeordnet sind. Die Mittelsäule 11 ist in ihrer Mitte hohl, so daß durch sie Kühlgas zur Kühlung hindurchgeleitet werden kann. Die Kernstäbe 9 und die Reflektorstäbe 10 sind wie im Beispiel gemäß F i g. 1 nach einem Raster oder auf Kreisen verteilt im Kern bzw. in der Seitenwand 7 angeordnet.

In F i g. 4 ist vergrößert eine Draufsicht auf die Mittelsäule 11 gezeigt Die Ausnehmungen 18 für die Reflektorstäbe 10 sind in gleichen Abständen auf den Umfang der Mittelsäule 11 verteilt angeordnet.

Als Beispiel wird ein 300-MWe-Kugelhaufenreaktor mit 6 MW/m³ Leistungsdichte betrachtet. Der Reaktorkern hat einen Durchmesser von 560 cm (siehe Fig. 1). 42 Ktrnstäbe sind in einem Dreieckraster über den Kernquerschnitt mit 59 cm Abstand verteilt. 36 Reflektorstäbe sind in Abständen von 50 cm in der Seitenwand des Reflektors nahe dem Reaktorkern angeordnet Dieser Abstand ist optimal für Reflektorstäbe. Ein engeres Zusammenrücken würde die Gesamtwirksamkeit nur noch um wenige Prozente vergrößern.

Der Reaktor wird mit einem Th/U-Brennstoffzyklus mit Mehrfachdurchlauf der Kugeln betrieben. Die Kernstäbe erbringen ohne Reflektorstäbe 17% Ak/k negative Reaktivität, die Reflektorstäbe allein 5% Ak/k. Bei gleichzeitigem Einsatz beider Systeme werden 24% Ak/k erbracht. Für eine Schnellabschaltung für wenigstens eine Stunde auch unter ungünstigen Umständen, wenn beispielsweise kurz nach dem Anfahren nach eine·· längeren Abschaltung kein Xe-135-Aufbau zur Unterstützung der Abschaltung erfolgen kann, ist etwa 2,5% Ak/k negative Reaktivität erforderlich. Es werden 4 Gruppen mit je sechs Reflektorstäben für das Schnellabschalten reserviert und in ausgefahrener Lage gehalten. Sie erbringen 2,7% Ak/k. Die restlichen zwei Gruppen erbringen noch 2,3% Ak/k und dienen zur Feinregelung, zum schnellen Lastabsenken und zum Ausgleich von Beschickungsungenauigkeiten. Die negative Reaktivität von 2,3% Ak/k reicht jedoch für die volle Lastregelung zwischen 1CO% und 40% nicht aus, für die insgesamt 4,5% Ak/k erforderlich ist. Bei voller Lastregelung werden deshalb neben den Reflektorstäben zusätzliche rCernstäbe benutzt. Das Absenken der Leistung auf 40% wird zunächst mit den restlichen Reflektorscäben durchgeführt, da hierfür etwa 1,8% Ak/k erforderlich sind. Für ein schnelles Hochfahren von Teillast auf Vollast werden zusätzlich einige Kernstäbe benötigt, die vorübergehend zuweise eingefahren werden. Zum Ausgleich für den abgesunkenen Xe-135-Pegel (1.3% Ak/k) müssen die für die Regelung eingesetzten Kernstäbe maximale 270 cm tief einfahren.

Nach einer Voll- oder Langzeitabschaltung bildet sich außerdem durch die Pa-233-U-233-Konversion Reaktivität von maximal J,2°/o Ak/k, die ebenfalls durch Kernstäbe zu kompensieren ist, so daß mit Xe-135-Ausregelung insgesamt 4,5% Ak/k von den Kernstäben zu binden siind. In der Regel reichen 6 Kernstäbe mit voller

JJ /HO

Einfahrtiefe aus, diese Reaktivität zu binden. Nötigenfalls werden zusätzliche Kernstäbe zur Unterstützung herangezogen.

Die Wirksamkeit von Reflektorstäben ist nicht direkt abhängig davon, ob der Reaktor mit Einmal- oder Mehrfachdurchlaufbeschickung betrieben wird. Sie wird vielmehr in erster Linie von der Größe des Kernquerschnitts beeinflußt. Bei größeren Reaktoren sinkt daher die Wirksamkeit der Reflektorstäbe. So werden bei 600-MWe-Reaktoren mit 6 bis 8 MW/m³ Leistungsdichte durch die Reflektorstäbe noch 3% bis 4% Ak/k erreicht, bei 1200 MWe nur noch 2 bis 2,5% Ak/k. Spätestens ab 900 MWe ist deshalb der Einbau einer sogenannten Mittelsäule zweckmäßig, die vorwiegend aus Graphit besteht und zusätzliche Reflektorstäbe aufnehmen kann. Mit Mittelsäule werden so bei 900-MWe-Reaktoren 4,5% bis 5% Ak/k, bei 1500-MWe-Reaktoren etwa 3.5% Ak/k Reflektorstabwirksamkeit erreicht. Da Für die Schnellabschaltung etwa 2.5% Ak/k erforderlich ist, bleiben in der Regel noch Rtrriekeorsiäbe tür die Schnellastregelung und Feinregelung übrig.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Gasgekühlter Kernreaktor mit einem Kern aus einer Schüttung kugelförmiger Bauelemente, einem den Kern umgebenden. Decke, zylindrische Seitenwand und Boden umfassenden Reflektor, mit Einrichtungen zur Nachwärmeabfuliir und mit einer Einrichtung zum Regeln und Abschalten des Reaktors, bestehend aus in den Kern einfahrbaren Absorberstäben (Kernstäben) und in Ausnehmungen des Reflektors verfahrbaren Absorberstäben (Reflektorstäben), deren zugehörige Stellantriebe voneinander unabhängig und verschiedenartig sind, wobei die Reflektorstäbe zur Regelung vorgesehen und zur Einleitung von Abschaltvorgängen einsetzbar sind, bei denen der Reaktor bei dem augenblicklichen Temperatunniveau unterkritisch wirkt, und wobei die Kernstäbe für solche Abschaltvorgänge vorgesehen sind, die den Reaktor aus allen Betriebs- und Störfallzuständenitiraus für beliebig lange Zeit unterkritisch halten (Voll- oder Larigzei !abschaltung), dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorkern (2) in radialer Richtung als Mehrzonenkern ausgebildet ist, dessen einzelne Zonen (21, 22) von der Mitte des Reaktorkerns (2) ausgehend Brennelemente mit zunehmendem Spaltstoffgehalt aufweisen.

2. Gasgekühlter Kernreaktor mit einem Kern aus einer Schüttung kugelförmiger Brennelemente, einem den Kern umgebenden. Decke, zylindrische Seitenwand und Boden umfassendem Reflektor, mit Einrichtungen zur Nachwärmeabfuhr und mit einer Einrichtung zum Regeln und Abschalten des Reaktors, bestehend aus in den Kern einfahrbaren Absorberstäben (Kernstäben) und in Ausnehmungen des Reflektors verfahrbaren Absorberstäben (Reflektorstäben), deren zugehörige Stellantriebe voneinander unabhängig und verschiedenartig sind, wobei die Reflektorstäbe zur Regelung vorgesehen und zur Einleitung von Abschaltvorgängen einsetzbar sind, bei denen der Reaktor bei dem augenblicklichen Temperaturniveau unterkritisch wird, und wobei die Kernstäbe für solche Abschaltvorgänge vorgesehen sind, die den Reaktor aus allen Etetriebs- und Störfallzuständen heraus für beliebig lange Zeit unterkritisch halten (Voll- oder Langzeitabschaltung), dadurch gekennzeichnet, daß konzentrisch zu der zylindrischen Seitenwand (7) eine Mittelsäule (11) als innerer Teil des Reflektors angeordnet ist, der ebenfalls Ausnehmungen (18) für verfahrbare Absorberstäbe (19) aufweist.