DE2519273C3

DE2519273C3 - Verfahren zum Wärmeschutz des Deckenreflektors eines Hochtemperatur-Reaktots

Info

Publication number: DE2519273C3
Application number: DE2519273A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter 4775 Lippetal Buthmann
Original assignee: Hochtemperatur-Kernkraftwerk (hkg) Gemeinsames Europaeisches Unternehmen 4701 Uentrop GmbH
Current assignee: Hochtemperatur-Kernkraftwerk (hkg) Gemeinsames Europaeisches Unternehmen 4701 Uentrop GmbH
Priority date: 1975-04-30
Filing date: 1975-04-30
Publication date: 1978-03-30
Also published as: DE2519273B2; DE2519273A1; JPS598798B2; JPS51133690A; NL175238C; US4066499A; FR2309956A1; BE841268A; IT1053645B; FR2309956B1; GB1524453A; NL7602346A; NL175238B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmeschutz des Deckenreflektors eines gasgekühlten feststoffmoderierten, z. B. graphitmoderierten Hochtemperatur-Kernreaktors mit kugelförmigen Brennelementen, die über im Deckenreflektor vorgesehene Beschikkungsrohre dem Reaktorkern zugeführt werden.

Während des Betriebes von Kernreaktoren entstehenden radioaktive Spaltprodukte, die aufgrund ihres radioaktiven Zerfalls die sogenannte Zerfallswärme erzeugen. Nach dem Abschalten des Reaktors stellt diese Zerfallswärme insofern ein Problem dar, als für ihre sichere Abfuhr gesorgt werden muß, um unzulässige Beanspruchungen der metallischen sowie keramischen Einbauten der Reaktoren zu vermeiden. Es sind verschiedene Betriebs- bzw. Notsysteme zur Nachwärmeabfuhr bekannt, an die aus Sicherheitsgründen hinsichdich ihrer Zuverlässigkeit außerordentlich strenge Anforderungen gestellt werden, was dazu führt, daß die bekannten Systeme häufig zu erheblichen Betriebseinschränkungen führen. Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit bekannter Nachwärmeabfuhr-Systeme sind verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen worden, beispielsweise die Verbunkerung von Systemen sowie Einrichtung von Notsteuerstellen, um durch äußere Einwirkungen hervorgerufene Folgen für die Nachwärmeabfuhr-Systeme zu beherrschen. Damit sind jedoch ganz erhebliche Aufwendungen verbunden.

Im Zusammenhang mit Überlegungen zur Vereinfachung der Sicherheitssysteme bei gleichbleibender und sogar größerer Zuverlässigkeit spielt unter anderem die Zeitspanne eine Rolle, die ohne Beeinträchtigung der Sicherheit nach Abschalten des Reaktors verstreichen kann, bevor Maßnahmen zur Abfuhr der Nachwärme eingeleitet werden müssen. Reaktoren der eingangs genannten Art haben diesbezüglich den Vorteil, daß die erheblichen Feststoffmengen im Reaktorkern nach dem Abschalten aus Vollastbetrieb als Wärmespeicher wirken können, so

ίο hat sich z. B. bei einem bekannten graphitmoderierten Thorium-Hochtemperatur-Kernreaktor gezeigt, daß der Reaktorkern eine Speicherfähigkeit besitzt, die es erlaubt, mindestens eine Stunden zu warten, bevor eine Abfuhr der Nachwärme durch Zwangsumwälzung des

PKmärkreislaufs notwendig wird.

Um diese Zeitspanne voll ausschöpfen zu können, muß dafür gesorgt werden, daß sämtliche Einbauten bzw. sämtliche Teile der Einbauten bei den dann auftretenden Temperaturen ungefährdet sind. Bezüglich des Seitenreflektors und des Bodenreflektors sowie der Brennelemente sind diesbezüglich keine nachteiligen Folgen zu erwarten. Dies gilt jedoch nicht ohne weiteres für den Deckenreflektor, der beim genannten Reaktortyp aufgehängt ist. Unter den für die Aufhängung in Frage kommenden Materialien befinden sich solche, deren für den besonderen Verwendungszweck benötigten Eigenschaften sich bei den dann eintretenden Temperaturen nachteilig verändern könnten.

Um nun die Aufhängung des Deckenreflektors zu

schützen, müssen daher redundante Einrichtungen vorgesehen werden, die die Nachwärmeabfuhr so rechtzeitig einleiten, daß schädliche Temperaturen für die Decke, insbesondere ihre Aufhängung, sowie die dort untergebrachten Absorberstäbe nicht eintreten können.

Da bei gewolltem oder durch eine Störfallsituation ausgelöstem Abschalten für die Nachwärmeabfuhr gewöhnlich die Dampferzeuger-Gebläseeinheiten verwendet werden, sind die Anforderengen an deren Betriebsbereitschaft bzw. Einsatzfähigkeit im Rahmen der Sicherheitsbestimmungen unter anderem auch auf die Temperatur-Belastbarkeit der Deckenreflektor-Aufhängung abgestellt So gilt beispielsweise der Ausfall lediglich einer von sechs gleichwertigen Dampferzeu ger-Gebläseeinheiten als für den Weiterbetrieb mit den verbleibenden Einheiten äußerst zulässig. Nun können aber bereits kleine Fehler an Armaturen, Stellungsmeldern bzw. Meßfühlern häufig die Ursache für einen Kraftwerksbetrieb mit nur fünf Einheiten sein, so daß

so eine geringfügige Störung an einer weiteren Einheit automatisch eine Nachwärmeabfuhr über die dafür vorgesehenen aufwendigen Notsysteme einleiten würde, die in ihrem Ablauf unter anderem hohe Belastungen der metallischen und keramischen Einbauten zur Folge

ss hat, was wiederum die Lebensdauer eines Reaktors unnötig verkürzt. Wie die vorstehenden Ausführungen zeigen, sind die Ursachen, die zum Einleiten dieser Notmaßnahmen führen, häufig in sehr kurzer Zeit zu beheben, was jedoch bei den bisher bekannten Systemen gleichwohl zu Abschaltmaßnahmen führt, die eigentlich nur für ausgesprochen ernste Störfallsituationen erforderlich sind.

Zu den eingangs erörterten Hochtemperatur-Kernreaktoren gehören beispielsweise die in »Nuclear-Engi-

ft? neering International« Bd. 14, Nr. 160 (September 1969), auf den Seiten 731 bis 735 beschriebenen, die mit prismatischen Brennelementen bestückt sind. Bei diesen bekannten Reaktoren wird die Nac'hzerfallswärme mit

Betriebskomponenten abgeführt, wobei keine Maßnahmen zur Überbrückung der Ausfallzeit des vorhandenen Nachwärmeabfuhrsystems angegeben werden. Insbesondere sind in dieser Druckschrift keine Ausführungen zum Problem des Wärmeschutzes des Deckenreflektors enthalten.

Auch der Vorschlag gemäß der DE-OS 20 61 245, der sich mit Störungen an gasgekühlten Kernreaktoren beschäftigt, gibt keinen Hinweis auf Maßnahmen zum Wärmeschutz des Deckenreflektors. Vielmehr soll mit diesem Vorschlag eine Gefährdung der Dampferzeuger durch erhöhte Temperaturen vermieden werden, die durch verminderte Gas- und Speisewasserdurchsätze bei der Nachwärmeabfuhr bedingt sind. Zur Lösung wird dort ein einstellbarer Bypaßstrom zum Reaktorkern gefahren, der eine Absenkung der Gastemperaturen bewirken soll. Zusätzlich werden Hilfswärmetauscher und Hilfsgebläse zur Lösung der diesem bekannten Vorschlag zugrundeliegenden Aufgabe in Betracht gezogen.

!n der DE-OS 23 60 293 ist schließlich eine Hilfseinrichtung zur Wärmeabfuhr für Kernreaktoren dargestellt und beschrieben, die sich dadurch auszeichnet, daß parallel zu den Betriebskomponenten Hilfssysteme unter gleichen Bedingungen arbeiten, die bei störfallbedingtem Ausfall der Betriebskomponenten bei Abschalten des Kernreaktors betriebsbereit in der Lage sind, die Nachzerfallswärme unter Nutzung der gleichen Strömungsrichtungen wie während des Normalbetriebs abzuführen. Irgendwelche gezielten Maßnahmen zum Schütze des Deckenreflektors werden auch in dieser Veröffentlichung in keiner Weise angesprochen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren vorzuschlagen, das es ermöglicht, ohne Beeinträchtigung der Sicherheit die Zeit zwischen dem Eintreten eines Störfalls bis zum Zeitpunkt einer Gefährdung der Aufhängung des Deckenreflektors zu vergrößern bzw. eine Gefährdung ganz zu vermeiden.

Der Lösung dieser Aufgabe liegt der Gedanke zugrunde, die Speicherfähigkeit eines feststoffmoderierten Reaktorkerns derart in die Abschaltüberlegungen einzubauen und insbesondere in vorteilhafterweise auszuschöpfen, daß die Beseitigung geringfügiger Störursachen ohne den Einsatz der aufwendigen und zeitraubenden Notsysteme möglich ist. Gelöst wird diese Aufgabe für einen Kernreaktor der eingangs genannten Art dadurch, daß bei abgeschaltetem Reaktor durch einige Beschickungsrohre und/oder im Deckenreflektor zusätzlich vorgesehene Durchführungen Kaltgas eingeblasen wird, das durch die übrigen Beschickungsrohre bzw. Durchführungen abgezogen wird. Mit dicjer Maßnahme wird somit im Bereich des Deckenreflektors eine gezielte örtliche Kühlung bzw. wärmemäßige Abschirmung vorgenommen, zu der in vorteilhafter Weise bereits vorhandene Einrichtungen verwendet werden können. Bei Kernreaktoren der infrage kommenden Gattung werden die kugelförmigen Brennelemente dem Reaktorkern nämlich von oben durch im Deckenreflektor vorgesehene Beschickungsrohre zugeführt. Diese Beschickungsrohre stehen nach Abschalten des Reaktors zur Verfügung und können mit Kaltgas beaufschlagt werden, wobei durch das Zuführen des Kaltgases über einen Teil des Beschickungsrohre und das Abziehen über die übrigen Rohre oberhalb des Reaktorkerns eine Art kontinuierlicher Kühlgasschleier entsteht. Dadurch wird in erster Linie verhindert, daß die aus dem Reaktorke.· ί konvektiv aufsteigenden heißen Gase die innere Oberfläche des Deckenreflektors berühren oder gar durch die Kaltgasschlitze des Deckenreflektors hindurchtreten, wodurch die unerwünschte Aufheizung des Deckenreflektors eintreten würde. Durch vorsorglich zusätzlich vorzusehende Durchführungen kann insbesondere bei größeren Reaktorkerndurchmessern eine Optimierung des KQhI-gasschleiers erreicht werden.

Wenn nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens das Einblasen des

ίο Kaltgases durch die im Zentrum des Deckenreflektors angeordneten Beschickungsrohre erfolgt, läßt sich die Form und Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgasschleiers in einfacher Weise den sich im abgeschalteten Zustand im Reaktorkern ausbildenden Konvektionsströmen anpassen. Da der innere, durch Konvektion bedingte Naturumlauf, d.h. die sich im Kugelhaufen aufgrund des Temperaturgradierten bei abgestellten Gebläsen einstellende Kühlgasströmung im Zentrum nach oben und im Umfangsbereich nach unten gerichtet ist, ergibt sich durch das Zuführen de Kaltgases durch die im mittleren Bereich des Deekenrefiek'ors angeordneten Beschickungsrohre — das Abziehen erfolgt dann über die nahe dem Umfang angeordneten Rohre — in den Grenzschichtbereichen zwischen dem sich im Naturumlauf befindenden heißen Gas und dem eingeblasenen kalten Gas eine gleichgerichtete Strömung, die die Effektivität des Kaltgasschleiers erhöht, da Verwirbelungen minimal gehalten werden.

Darüber hinaus besteht bei im Grenzbereich gleichgerichteter Strömung die Möglichkeit, in einfacher Weise durch entsprechende Beaufschlagung die Lage

• der Grenzschichten zu verändern, was wiederum in der jeweiligen Situation anpaßbarer Weise auf die Temperatur des Deckenreflektors abgestimmt werden kann.

Die Wirksamkeit des Kühlgasschleiers kann weiterhin durch geeignete Wahl der Aufteilung der Beschikkungsrohre in Druck- und Saugrohre für das Kaltgas beeinflußt werden. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn für das Einblasen des Kaltgases weniger Rohre vorgesehen werden als für das Abziehen. Damit kann dem Umstand Rechnung getragen werden, daß sich das Kaltgas auf dem Weg von den Druckrohren zu den Saugrohren in den Grenzschichten mit dem über die Kugelschüttung streichenden heißen Gas in geringem Umfang vermischt und dabei leicht erwärmt, so daß das abgezogene Gas aufgrund seiner gegenüber dem einströmenden Gas etwas höheren Temperaturen auch ein größeres Volumen besitzt.

In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß die Aufheizung des Kaltgases um so geringer — und damit der Schutz des Deckenreflektors um so wirkungsvoller — ist je früher nach Abschalten der Zwangskühlung des Reaktors die Kaltgaszufuhr einsetzt, da die Aufheizung des Reaktorkerns am oberen kalten Ende dann noch

SS relativ gering ist und ^ine Durchmischung des Kaltgases mit dem durch Naturkonvektion aufsteigendem Gas eine geringere Erwärmung bewirkt. Im Falle der Verwendung von Helium als Kühl- und als Kaltgas wirkt sich in diesem Zusammenhang die Tatsache positiv aus, daß heißes und kaltes Helium schlecht mischbar ist, eine örtlich begrenzte Erwärmung des Deckenreflektors durch heiße, unter Umständen vereinzelt bis zum Deckenreflektor durchstoßende Heliumsträhnen ist infolge der Wärmekapazität und des schnell eintreten-

f'5 den Temperaturausgleichs im Deckenreflektor unerheblich.

Durch Änderung der Menge des Kühlgasstromes kann sowohl die TemDeratur des Deckenreflektors als

auch die aus dem Reaktorkern abgeführte Wärmemenge in gewissen Grenzen eingestellt werden. Dies wird entweder durch intermittierenden Betrieb oder Änderung der Fördermenge erreicht. Das abgezogene Kühlgas wird vorzugsweise in einem geschlossenen s Kreislauf durch einen Kühler geleitet.

Anhand der Zeichnung, in der der Aufbau des bereits erwähnten bekannten Thorium-Hochtemperatur-Reaktcrs schematisch dargestellt ist. werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert.

Der Reaktorkern t besteht aus einer Schüttiing kugelförmiger Brennelemente, die sich in einem zylindrischen Gefäß befinden. Dieses Gefäß wird von einem aus Graphitblocken aufgebauten Mantel gebildet, der gleichzeitig als Neutronenreflektor dient und allseitig den Reaktorkern umgibt. Der Mantel besteht im einzelnen aus einem Bodenreflektor 2, einem .Seitenreflektor 3 und einem Deckenreflektor 4, der beim vorliegenden Äusiünrungsueispiei als Hängedecke ausgeführt ist. bei der eine größere Anzahl einzelner Graphitsteine mit Hilfe von nicht dargestellten, geeigneten Bolzen über eine ebenfalls nicht dargestellte Tragkonstruktion an der Decke des den Reaktor umschließenden Behälters aufgehängt ist. Die gesamten Graphit- und Kohlesteineinbauten sind auf einer ^ Stahlplatte aufgebaut, die zusammen mit einer den Graphitmantel umgebenden Stahlwand und einer Deckenplatte den sogenannten thermischen Schild 5 als Abschirmung gegen Gamma-Strahlung aus dem Reaktorbildet.

Der Reaktorkern sowie die übrigen für den Primärkreislaul wesentlichen Einrichtungen werden von einem Druckbehälter 6 umgeben, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Spannbetonbehälter ausgeführt ist. In diesem befinden sich als wesentliche _1S Besiandteile des Primärkreislaufs die Dampferzeuger 7 sowie die Kühlgasgebläse 8.

Der in der Zeichnung durch Pfeile 9 dargestellte Gasumlauf gilt richtungsmäßig für den Fall, daß die Gebläse 8 abgestellt sind. Dabei handelt es sich um einen inneren durch Konvektion bedingten Naturumlauf, der sich in Reaktorkern aufgrund des dort herrschenden Temperaturgradienten einstellt. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, bildet sich im abgeschalteten Zustand eine im /entrum der Schüttung aufsteigende und am Umfang nach unten gerichtete Strömung.

Bei dem schematisch dargestellten Reaktortyp sind im Deckenreflektor 4 Beschickungsrohre 11 für die kugelförmigen Brennelemente vorgesehen, und zwar insgesamt fünfzehn Beschickungsrohre, wovon zwölf gleichmäßig ?uf cL-n Umfang verteilt und drei im Zentrum angeordnet sind. Diese Beschickungsrohre 11 werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zusammen mit ihren Zuführungen, nämlich den Brennelementförderrohren 12, die den Druckbehälter 6 bodenseitig durchdringen, im abgeschalteten Zustand des Reaktors zur Bildung eines Kaltgasschleiers unter der Reflektordecke genutzt. Dazu wird Kaltgas, vorzugsweise Helium, entsprechend dem Pfeil 13 zentral in das Reaktorinnere geblasen und über die äußeren Beschickungsrohre gemäß den Pfeilen 14 abgezogen. Die Darstellung verdeutlicht die bereits erwähnte Schleierwirkung unterhalb des Deckenreflektors, die das im Umlauf 9 befindliche heiße Gas von einer Berührung und somit unzulässigen Erwärmung des Deckenreflnktors abhält.

Im vorliegenden Fall des bekannten Thorium-Hochtemperatur-Reaktors kann zur Erzeugung des Kaltgasschleiers ein bereits vorhandenes Gebläse 15 verwende! werden, das bei Normalbetrieb der pneumatischer Förderung der Brennelemente dient. Damit wird ir vorteilhafter Weise die Brennelementförderanlagc zusätzlich nutzbar gemacht, so daß das erfindungsgemä

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ohne Schwierigkeiten und nennenswerten Aufwand zui Anwendung kommen kann. Die Förderung des Kaltga ses erfolgt über die Förderrohre 12a in der bereit; erläuterten Weise unter den Deckenreflektor 4 während das abgezogene Gas über Förderrohre 12/ einem Kühler 16 zugeführt wird, von dem es irr geschlossenen Kreislauf zurück zum Gebläse 15 gelangt

In besonders vorteilhafter Weise kann durch be stimmte Aufteilung der Beschickungsrohre 11 in Druck und Saugrohre die Wirksamkeit des Kaltgasschleien beeinflußt werden. Als besonders wirkungsvoll hat e: sich erwiesen, wenn die drei Zentralrohre sowie dre gleichmäßig verteile Peripherierolvre als Druckrohre d. h. zum Einblasen des Kaltgases verwendet werden während die übrigen neun Rohre als Saugrohre dienen.

Da das abgezogene Gas über einen Kühler irr Kreislauf gefördert wird, liefert dieser Gasstrom einet gewissen Beitrag zur Abfuhr der Nachwärme. In Zusammenwirken mit der hohen Wärmekapazität dei Graphiteinbauten — und auch der Liner-Kühlung führen daher die erfindungsgemäßen Maßnahmen zui Kühlung des Deckenreflektors sowie seiner Aufhän gung und der in ihm untergebrachten metallische! Einbauten zu einem über längere Zeit anhaltender sicheren Abschaltzustand des Reaktors, der auch nacl Ausfall der gesamten Kühlung gewährleistet ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet die Möglich keit, einen Betrieb bei mehr als einer ausgefallenei Dampferzeuger-Gebläseeinheit zu gestatten, wodurcl die Verfügbarkeit des Kraftwerks erheblich gesteiger wird. Damit liefert die Erfindung einen nicht zi unterschätzenden Beitrag zu den gerade in jüngster i^ei stark diskutierten Sicherheitsmaßnahmen, wobei dii Vorschläge sich durch Einfachheit, Störunanfälligkei sowie kostengünstige Realisierbarkeit auszeichnen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Wärmeschutz des Deckenreflektors eines gasgekühlten feststoffmoderierten, zum Beispiel graphitmoderierten Hochtemperatur-Kernreaktors mit kugelförmigen Brennelementen, die über im Deckenreflektor vorgesehene Beschikkungsrohre dem Reaktorkern zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei abgeschaltetem Reaktor durch einige Beschickungsrohre und/oder im Deckenreflektor zusätzlich vorgesehene Durchführungen Kaltgas eingeblasen wird, das durch die übrigen Beschickungsrohre bzw. Durchführungen abgezogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einblasen des Kaltgases durch die im Zentrum des Deckenreflektors angeordneten Beschickungsrohre erfolgt

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kaltgas Helium verwendet wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für das Einblasen des Kaltgases weniger Beschickungsrohre verwendet werden als für das Abziehen, wobei vorzugsweise ein Verhältnis von 2:3 gewählt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördermenge des Kaltgases in Abhängigkeit von der Temperatur des Deckenreflektors und/oder von der anfallender Zerfallwärme geregelt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das abgezogene Kühlgas in einem geschlossenen Kreislauf durch einen Kühler geleitet wii d.