-
Kugelhaufenreaktor mit Lin-Zonen-Kern
-
Die Erfindung betrifft einen Kugelhaufenreaktor mit einem Kern aus
einer Schüttung von Kugeln, die den Kern von oben nach unten und zwar möglichst
nur einmal durchlaufen. Reaktoren dieser Art werden oft mit einem gasförmigen Kühlmittel,
beispielsweise llelium, und zwar von oben nach unten durchströmt.
-
In der deutschen Offenlegungsschrift 21 23 894 wird ein gasgekühlter
Kugelhaufenreaktor beschrieben, der kontinuierlich mit Betriebselementen beschickt
wird, die bereits nach einmaligem Durchlaufen des Reaktors den gewünschten Endabbrand
erreichen sollen. Die Beschickung wird dort zeitlich so durchgeführt, -daß die axiale
Leistungsdichtewerteilung im oberen Teil ein Maximum hat. Diese hohe Leistungsdichte
begrenzt aber besonders im oberen Bereich die Lebensdauer des aus Graphit hergestellten
Seitenwandreflektors. Eine konstante radiale Leistungsdichteverteilung soll dort
erreicht werden wie bei anderen Reaktortypen auch durch mehrere konzentrisch angeordnete
zylinderförmige Brennstoffzonen, die mit unterschiedlicher Brennstoffkonzentration
beschickt werden, wobei die inneren Brennstoffzonen gegenüber den äußeren Brennstoffzonen
eine niedrigere Brennstoffkonzentration haben sollen. Diese unterschiedlichen
Brennstoffzonen
bedingen nicht nur einen zusätzlichen Aufwand bei der Herstellung und Wiederaufbereitung
der Betriebselemente, sondern auch bei der für die verschiedenen Zonen unterschiedliche
Zugabevorrichtung.
-
Aucli in der deutschen Offenlegungsscnrift 22 41 873 wird ein gasgekühlteK,r
Kugelhaufenreaktor vorgeschlagen, der in Abhängigkeit von radialen Zonen mit unterschiedlich
ausgelegten Brenn- und/oder Brutelementtypen beschickt wird. Dadurch soll erreicht
werden, daß das im oberen Bereich der Schüttung vorhandene Maximum der Leistungsdichte
reduziert wird.
-
In der deutschen Offenlegungsschrift 23 52 691 soll bei einem gasgekühlten
Kugelhaufenreaktor der Seitenwandreflektor vor einer zu hohen Dosis an schnellen
Neutronen geschützt werden, indem die an den Seitenwandreflektor angrenzende Randzone
der Schüttung einen niedrigeren Spaltstoffgehalt aufweist als die innere Zone der
Schüttung. Dieser niedrigere Spaltstoffgehalt soll erreicht werden entweder, indem
am Rande besondere Kugeln mit einem niedrigeren Spaltstoffgehalt oder ein Gemisch
aus den üblichen Kugeln mit Kugeln ohne Spaltstoff zugegeben wird. Dadurch wird
aber am Rande die Leistungsdichte und auch die KähPmittelaustri ttstemperatur herabgesetzt.
Um nun die Austrittstemperatur des Gases aus dem Reaktorkern wieder zu vergleichmäßigen,
wird vorgeschlagen, im Randbereich des den Reaktorkern nach unten abschließenden
Bodens Einrichtungen zur Drosselung des Kühlgasstromes vorzusehen. Eine solche Drosselung
läßt sich aber sicher nicht für alle Betriebszustände optimal einstellen. Bei blockförmigen
Betriebselementen mit axialen und voneinander getrennten Kühlkanälen ist eine solche
Drosselung möglich, bei kugelförmigen Betriebselementen findet aber auch noch eine
Querbewegung
des Kühlgases statt, so daß die Wirkung einer solcnen
Drosselung nicht exakt berechenbar ist.
-
In der deutschen Offeniegungsschrift 24 08 92b wird vorgeschlanen,
im trichterförmigen Auslauf am Gore-boden eines gasgekühlten Kugelhaufenreaktors
einen kegelähnlicnen Körper n,it der Spitze nach oben anzuordnen, mit den die vertikale
Geschwindigkeit der Kugeln und damit auch der Abbrand in radialer Richtung annähernd
konstant gehalten werden soll.
-
Die vorliegende Erfindung geht aus von dem Gedanken, daß die Ges amtwirts
chaftl ichke i t eines Kernreaktors nicht nur von einem über den Radius konstanten
Abbrand bestimmt wird. ach ncueren Untersuchungen ist das Kostenoptimum eines gasgekühlten
Kugelilaufenreaktors innerhalb vernünftiger Grenzen, also beispielsweise von 60000
- 110000 Mwd/t (Meyawatt-Tage pro Tonne Schwermetall) nur sehr wenig von Abbrand
abhängig. Wenn man also innerhalb dieser Grenzen bleibt, verliert man etwas am maximal
niöglichen Abbrand und gewinnt eventuell erhebliche Vorteile in anderen Bereicnen.
Wichtiger als ein über den Radius konstanter Abbrand erscheint aber eine über den
Radius konstante Kühlmittelaustrittstemperatur. Die konstante Kühlmittelaustrittstemperatur
bestimmt ddn Wirkungsgrad der anschliesenden Wärmetauscher. Der maximale Neutronenfluß
am Rande eines Kerns bestimmt die Lebensdauer der Seitenwand, bei--spielsweise des
Graphitreflektors. Temperatur- und Neutronenflußverteilung werden aber durch die
örtliche Leistungsdichte bestimmt.
-
Die Erfindung geht weiterhin von dem Gedanken aus, daß die örtliche
Leistungsdichte in einem Kern abhängig ist vom örtlichen Spaltstoffgehalt und dieser
wiederum eine
Funktion ist der Anreicílerung und der Verweilzeit
des betriebselementes. Dauer kann silan also, wenn nlan aus Gründen der einfacneren
lierstellung den Spaltstoffgenalt in allen friscnen betriebselementen konstant haiten
will, die am Rande eines hernreaktors naturgemäß geringere Leistungsdichte dort
durch eine höhere vertikale Geschwindigkeit der Betriebselemente anheben.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Kugelhaufenreaktor hoher
Wirtschaftlicnkeit und langer Lebensdauer mit einer am Kernaustritt radial weitgehend
konstanten Kühlmittelaustrittstemperatur. Eine spezielle Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, diesen Eugelhaufenreaktor zu verwirklichen mit radial einiieitliclien
etriebselementen, so daß bei der Besc1iickung keine radial unterschiedlichen Zonen
berücksichtigt werden müssen.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Kugelhaufenreaktor mit einem Kern
aus einer annähernd homogenen Schüttung von kugelförmigen betriebselementen, die
den Kern von oben nach unten durcnlaufen, vorgeschlagen, bei dem die vertikale Geschwindigkeit
der Kugeln im Randbereich des Kerns größer ist als in der Mitte. Mit dieser höheren
Gescnwindigkeit wird im Randbereich trotz einheitlicher Betriebselemente ein höherer
Spaltstoffgehalt erreicht, und damit die ant Rande eins Kernreaktors naturgemäß
geringere Leistungsdichte angehoben. In axialer Rich--tung wird dadurch die Leistungsdichte
der Rand zone oben verringert und dafür im mittleren und unteren Bereicii angehoben,
integral jedoch konstant genalten. Dadurch wird die im oberen Drittel des Reaktors
bisher aufgrund der höheren Leistungsdichte und des damit verbundenen höheren Neutronenflusses
zu erwartende geringere Lebensdauer des Seitenwandreflektors verlängert, während
der in der Mitte und im unteren Drittel des Seitenwandreflektors jetzt zu erwartende
höhere Neutronenfluß immer
nocii in zulässigen Grenzen gehalten
werden kann.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung, wobei in einen einzigen zentralen
tricjiterföri gen Auslauf an hoden eines Kernbenälters ein innerer kegelü.iinlicher
Körper mit der Spitze nacii ooen derart angeordnet ist, daß die betriebselemente
unterhalb dieses Körpers abfließen können, wird vorgeschlagen, daß dieser innere
kegelähnliche Körper einen Durchmesser DF aufweist, der etwas mehr als die hälfte
des zylindrischen Rerndurchmessers ii beträgt. Versuche haben gezeigt, daß bei dieser
Anordnung die Vertikalgeschwindigkeit der Betriebselemente au.n.en größer ist als
in der Mitte. Nach einem durchgeführten Modellversuch sollte DF etwa 0,6 bis 0,65
x D sein.
-
In alternativer Ausgestaltung der Erfindung, wobei am Boden eines
Kernbehälters mehrere trichterförmige Abzüge für Betriebselemente angeordnet sind,
wird vorgeschlagen, daf> ein zentraler Abzug vorhanden ist, der von mehreren,
insbesondere sechs, gleichmäßig über den Umfang verteilten Abzügen umgeben ist und
in dem die Abzugs geschwindigkeit der Betriebselemente gegenüber den ihn umgebenden
Abzügen verzögert ist. Mit dieser, allerdings in bezug auf die Zahl der Abzüge aufwendigea
Anordnung, läßt sicn innerhalb vernünftiger Grenzen jedes gewünschte Verhältnis
der Vertikalgeschwindigkeit zwischen innen und außen einstellen. Da die abgebrannten
Be;triebselemente ohnehin druckdicnt und mittels einer geeigneten Zähl- oder Volumenmeßvorrichtung
aus dem Reaktor ausgesciileust werden müssen, ist,der zusätzliche Aufwand für eine
Verzögerung der Abzugsgeschwindigkeit im mittleren Abzug gering.
-
Ein gas geküiilter Kuge lhaufenreaktor gemäß dieser Erfindung hat
folgende Vorteile: Aufgrund der einheitlichen Betriebselemente ist die herstellung
dieser Elemente wesentlich rationeller und die Beschictung einfacher.
-
Aufgrund des in axialer Riciltung ausgeglicnenen Neutronenflusses
ist die Lebensdauer des Seitenwandreflektors größer.
-
Aufgrund der in radialer Richtung ausgeglicnenen Leistungsdichte
ist auch die Kühlmittelaustrittstemperatur in radialer Richtung ausgeglichen.
-
Die Figuren 1 bis 4 zeigen zwei alternative Ausführungsbeispiele der
Lrfindung anhand eines gas gekühlten Kugelhaufenreaktors von 3000 MW (tnermisch),
dessen Kern aus einer homogenen Kugelschüttung besteht, die einen durch messer von
ca. 11 Altern und eine höhe von 5,5 Metern aufweist und die von einen Gralhit-Reflektor
umgeben ist.
-
Die Betriebselemente bestehen aus Grapiiitkugeln von ca.
-
Ö cm Außendurchmesser, die einen geeigneten Spalt- und/oder brutstoff
enthalten. Diese Betriebselemente werden über mehrere über den Querschnitt des Reaktors
verteilte Öffnungen in der Decke des Reaktorbehälters zugegeben und nach einmaligem
durchlauf durch den Reaktorbehälter am Boden abgezogen und einer hiederaufber'eitungsanlage
zugeführt. Als Kühlinedlum wird liellum benutzt, das an oberen Ende des Reaktorbehälters
zugeführt und am Boden des Reaktorbehälters durch zahlreiche Bohrungen abgeführt
wird.
-
Aufgrund theoretischer Überlegungen ergibt sich für einen solchen
Ein-Zonen-Reaktor bei konstanter Fließgeschwindigkeit ein Verhältnis der in axialer
Richtung integrierten Leistung N1 in der Mitte zur Leistung N2 am Rande von etwa:
N1/N2 = 1/0,7 Die in axialer Richtung integrierte Leistung bei einem solchen Reaktor
ist direkt proportional zur Wurzel der
vertikalen Durchlaufgeschwindigkeit
V1 bzw. V2 der Betriebselemente N r /V )0t5 Wenn also die in axialer Richtung integrierten
Leistungen N1 in der Mitte und N2 am Rande gleich sein sollen, dann gilt für die
vertikale Durchlaufgeschwindigkeit V2 am Rande V2= (1/0,7)2 xV1 = 2,04,x V1 Die
Figur 1 zeigt einen senkrechten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kugelhaufenreaktor
gemäß Schnitt A-A in Figur 2.
-
Figur 2 zeigt einen'waagerechtenQuerschnitt gemäß Schnitt B-B in Figur
1.
-
Figur 3 zeigt ebenfalls einen senkrechten Längsschnitt durch einen
anderen erfindungsgemäßen Kugelhaufenreaktor mit mehreren, über den Querschnitt
verteilten Abzügen am Boden des Reaktorbehälters gemäß Schnitt C-C durch Figur 4.
-
Figur 4 zeigt einen waagerechten Querschnitt gemäß Schnitt D-D in
Figur 3.
-
In den Figuren 1 und 2 sind die kugelförmigen Betriebselemente 1 in
homogener Schüttung in einem zylindrischen Reaktorbehälter 2 angeordnet, ddr an
seinem oberen Ende mit der Reaktordecke 3 und an seinem unteren Ende mit dem trichterförmigen
Reaktorboden 4 verschlossen ist. In der Reaktor-'decke 3 sind zahlreiche über den
Querschnitt verteilte Öffnungen 6 vorgesehen, die zur Beschickung mit kugelförmigen
Betriebselementen 1 dienen. Die Zufuhr des Reaktorkühlmittels am oberen Ende des
Reaktorbehälters 2 wird nicht näher dargestellt, die Abfuhr des Reaktorkühlmittels
erfolgt durch zahlreiche Bohrungen 7 im Boden 4. In dem einzigen zentralen trichterförmigen
Auslauf 4 am Boden 'des Reaktors ist ein innerer kegelähnlicher'brper 8 mit der
Spitze nach oben
derart angeordnet, daß die Betriebselemente 1
unterhalb dieses Körpers 8 zu einem senkrechten Schacht 9 abfließen können. Wenn
der Durchmesser DF dieses kegelähnlichen Körpers 8 größer ist als der halbe innere
Durchmesser D des ReaktorbehälterS 2 dann fließen die Betriebselemente 1 am Rande
des Reaktorbehälters 2 schneller als in der Mitte. Durch entsprechende Modellversuche
mit Kugeln aus unglasiertem Ton, die sich ähnlich verhalten, wie die eigentlichen
Graphitkugeln, läßt sich das zweckmäßigste Durchmesserverhältnis DF/D genauer bestimmen
und einem gewünschten Geschwindigkeitsverhältnis V1/Vz von der Mitte zum Rand anpassen.
Der Körper 8 wird getragen von mehreren radialen Stegen 10, zwischenCdenen radiale
Kanäle 11 die Betriebselemente vom Umfang des Körpers 10 zu dem senkrechten Schacnt
9 leiten. Zwischen den Öffnungen dieser Kanäle 11 sind jeweils dachförmige Körper
12 angeordnet, die die Betriebselemente 1 in die Kanäle 11 leiten und die dafür
sorgen, daß in dem Winkel zwischen dem Reaktorboden 4 und dem Körper 8 keine Betriebselemente
1 oder Bruchstücke davon liegen bleiben. Der Körper 8 ist genauso wie der trichterförmige
Auslauf 4 von zahlreichen senkrechten Kanälen 7 für das Eühlmittel durchzogen.
-
In den Figuren 3 und 4 wird mit denselben Bezeichnungen wie in den
Figuren 1 und 2 ekn ähnlicher Reaktor dargestellt. Der Reaktorboden S besteht aus
sieben einaiier durchdringenden Trichtern, wobei der Trichter 30 in der Mitte des
Reaktorbodens 5 angeordnet ist und die ihn umgebenden Trichter 31 derart angeordnet
sind, daß ihre Mitten ein regelmäßiges Sechseck bilden. Unter jedem Trichter 30
ist eine Kugelzähl- oder. Volumenmeßeinrichtung 32 angeordnet. Durch Variation der
Volumenströme durch die Kugelabzugsrohre kann aas Verhältnis der vertikalen Geschwindigkeiten
V1/V2 zwischen Mitte und. Rand in gewünschter Weise eingestellt werden. Eine solche
Vorrichtung ist beispielsweise in der deutschen-Offenlegungsschrift 15 48 180 beschrieben.