DE2738729C2

DE2738729C2 - Vorrichtung zum Aufbau einer Randzone aus reinen Graphitkugeln um die Betriebselementschüttung eines Hochtemperaturreaktors

Info

Publication number: DE2738729C2
Application number: DE2738729A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl.-Ing. Dr. 6905 Schriesheim Brandes
Original assignee: Hochtemperatur Reaktorbau 4600 Dortmund GmbH; Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Current assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Priority date: 1977-08-27
Filing date: 1977-08-27
Publication date: 1985-07-25
Also published as: DE2738729A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufbau einer Randzone aus reinen Graphitkugeln um die Betriebselementschüttung eines Hochtemperaturreaktors, die von oben nach unten von Kühlgas durchströmt wird und von einem Deckenreflektor, einem zylidrischen Seitenreflektor und einem Bodenreflektor umgeben ist, wobei der Seitenreflektor aus einem festen Reflektormantel und der genannten Randzone aus reinen Graphitkugeln besteht, für die in dem Deckenreflektor getrennte Zuführungsrohre vorgesehen sind, die aber gemeinsam mit den Betriebselementen am Boden des Reaktorkerns abgezogen werden.

Kernreaktoren mit einer Schüttung von kugelförmigen Betriebselementen (Kugelhaufenreaktoren) ermöglichen eine kontinuierliche Erneuerung des festen Brennstoffes und eine kontinuierliche Entfernung des erschöpften Brennstoffes. Die Betriebselemente (Brenn-, Absorber- und Graphitelemente) bleiben dabei während des Betriebs im Reaktor im wesentlichen in Ruhe, da sie nicht durch den nach unten gerichteten Kühlgasstrom aufgewirbelt werden. Durch eine entsprechend ausgebildete Abzugsvorrichtung am Boden des Reaktorkerns werden die kugelförmigen Betriebselemente aus dem Reaktorkern abgezogen, während die Zugabe von frischen Betriebselementen von oben durch eine Anzahl von Zuführungsrohren erfolgt.

Ein derartiges Beschickungsverfahren ermöglicht einen einfachen und wirtschaftlichen Betrieb des Kernreaktors; den größten Vorteil bringt dieses Verfahren bei Kernreaktoren, deren Betriebselemente den Reaktorkern nur einmal durchlaufen.

Im allgemeinen ist die Schüttung eines Kugelhaufenreaktors von einem aus Graphit bestehenden Deckenreflektor, Bodenreflektor und zylindrischem Seitenreflektor umgeben. Nach längerem Betrieb oder bei einer hohen Leistungsdichte im Reaktorkern bereits nach kürzerer Zeit treten in dem zylindrischen Seitenreflektor Strahlenschäden auf, die zum Abbröckeln von kernnahen Teilen des Seitenreflektors und ggf. zu einer Stillegung des Reaktorbetriebes führen können. Vor allem der mit der Leistungsdichte gekoppelte schnelle Neutronenfluß ruft Dimensionsänderungen in dem Graphit hervor; zunächst tritt ein Schrumpfen auf, nach einer gewissen Zeit dann wieder Ausdehnung, die über den ursprünglichen Zustand hinaus anhält. Die dabei entstehenden Spannungen können zu Rissen im Graphit führen. Der Seitenreflektor soll jedoch Standzeiten bis zu 35 Vollastjahren erreichen. Besonders hoch ist die Strahlenbelastung des Seitenreflektors bei einem Kugelhaufenreaktor mit einmaligem Durchlauf der kugelförmigen Betriebselemente.

Es sind bereits Kugelhaufenreaktoren entwickelt worden, bei denen durch eine besondere Ausbildung des Seitenreflektors ein vorzeitiges Stillegen des Reaktorbetriebes vermieden wird. So ist in der deutschen Patentschrift 10 34 784 ej-j Kernreaktor beschrieben, dessen Reffektormantel aus einer Aufschüttung von gleichmäßig geformten neutronenreflektierenden Körpern besteht, die im wesentlichen die gleiche Gestalt besitzen wie die Brennelememe. Zwischen dem Reflektormantel und den Brennelementen befindet sich noch eine Zone aus ebenfalls aufgeschütteten Brutelementen.

Aus der deutschen Auslegeschrift 15 64 986 ist ein weiterer Kernreaktor bekannt, dessen von einer Aufschüttung von Kugeln bestehender Kern seitlich von einem Reflektor umgeben ist, der ebenfalls aus einer Aufschüttung von Kugeln besteht

Stand der Technik ist es auch, den Refle.ktormantel eines Kugelhaufenreaktors nur teilweise als Kugelschüttung auszubilden, und zwar den Teil des Reflektors, der unmittelbar an die Schüttung der Brennelemente angrenzt. Kernreaktoren mit einem so gestalteten Seitenreflektor sind in der deutschen Offenlegungsschrift 26 31 237 sowie in dem »Journal of Nuclear Energy«, Bd. 20, Teil A/B, Jahrgang 1966, auf Seite 739 beschrieben.
Aus der französischen Zusatzpatentschrift 80 481 ist ein weiterer Kugelhaufenreaktor mit einer aus Graphitkugeln aufgeschütteten Randzone bekannt, dessen Kern jedoch nicht von oben nach unten, sondern in dazu senkrechter Richtung von dem Kühlgas durchströmt wird. Die Graphitkugeln der Randzone sind wesentlich kleiner als die Brennelemente der Schüttung, und sie haben die Aufgabe, zwischen den Brennelementen vorgesehene Kugeln aus Moderatormaterial, deren Durchmesser noch kleiner ist als der der Graphitkugeln, am Eindringen in die Gasdurchtrittsöffnungen zu hindern.

Aus der österreichischen Patentschrift 2 55 593 ist ein Kernreaktor bekannt, dessen seitliche Reflektorwände ebenfalls aus einer Aufschüttung von kugelförmigen Graphitelementen bestehen. Diese fließen kontinuierlich durch den Reaktorkern und werden laufend durch neue Graphitkugeln ersetzt, so daß die gefährdete Teil des Seitenreflektors ständig ausgewechselt wird. Die Graphitkugeln werden gemeinsam mit den kugelförmigen Brennelementen aus dem Reaktorkern abgezogen,

während ihre Zugabe durch gesonderte Zuführungsrohre erfolgt

Um eine günstigere Vermischung des in der Randzone nicht aufgeheizten Kühlgases mit dem übrigen Kühlgas zu erreichen, soll die Randzone so schmal wie möglich ausgebildet sein. Zur Beschickung selbst einer schmalen Randzone ist abc- eine größere Anzahl von zusätzlichen Zuführungsrohren erforderlich, wenn eine gleichmäßige, rosettenfreie Ausbildung der Randzone erzielt werdec soIL Dies ist notwendig, um unerwünschte Effekte in der Leistungsverteilung zu vermeiden.

Eine gleichmäßige Ausbildung der Randzone wird bei dem genannten Kernreaktor mit Hilfe einer ringartigen Blende erreicht, die in die Kugelschüttung eintaucht und eine scharfe Trennung der Randzone von dem übrigen Kern bewirkt. Die Blende ist an einem den Reaktorkern nach oben abschließenden Deckel befestigt, der die Aufgabe hat, ctes Abheben der Brennstoffkugeln zu unterbinden (daü Kühlgas strömt bei diesem Kernreaktor von unten nach oben durch die Schüttung der Brennstoffkugeln). Der önbau dieser Blende in die Schüttung wirkt sich jedoch >;ehr nachteilig auf das Kugelfließen aus. Der aktive Teil "3er Kugelschüttung darf möglichst nicht gestört werd^h. Auch muß die Blende sehr schmal ausgebildet sein, to daß zu ihrer Herstellung nur metallische Werkstoffe in Präge kommen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein<ä Vorrichtung anzugeben, die es gestattet, mit einer geringen Anzahl von Zuführungsrohren eine gleichmäßige Ausbildung der Randzone zu erreichen, ohne daß das Fließen der kugelförmigen Betriebselemente in dem aktiven Kernbereich beeinträchtigt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Bildung der Randzone an der Unterkante des Deckenreflektors eine ringförmige, bis an die Oberfläche der Schüttung reichende Schüttungs-Trennung derart angebracht ist, daß zwischen dem festen Reflektormantel und der Schüttungs-Trennung ein ringartiger Spalt gebildet wird, in den die Graphitelemente der Randzone eingegeben werden und der sich bis in den Deckenrefoktor hinein fortsetzt, und daß die mittlere Oberfläche der Randzone über der mittleren Oberfläche der Schüttung der Betriebselemente, vorzugsweise innerhalb des in dem Deckenreflektor befindlichen Teiles des ringartigen Spaltes, liegt.

Da die Oberfläche der Schüttung der Betriebselemente nur bis an das untere Ende der S^hüttungs-Trennung reicht, kann der aktive Teii des Kugelhaufens nicht durch die Schüttungs-Tr=nnung gestört werden. Diese kann zudem massiver ausgebildet werden. Mit Hilfe der Schüttungs-Trennung irt es möglich, eine rosettenfreie, schmale Randzone aus reinen Graphitkugeln aufzubauen, die von oben durch Zuführungsrohre zugegeben werden. Bei der Beschickung bildet sich unter jedem Zuführungsrohr längs des ringartigen Spaltes ein Schüttkegel aus. Die Anzahl der Zuführungsrohre wird dadurch klein gehalten, daß der ringartige Spalt bis in den Deckereflektor hinein ausgedehnt ist, so daß sich entsprechend hohe Schüttkegel ausbilden können. Der Abstand zwischen den einzelnen Zuführungsrohren richtet sich danach, wie hoch die Graphitkugeln der Randzone in dem in dem Seitenreflektor befindlichen Spalt gezogen sind. Es muß lediglich gewährleistet sein, daß der tiefste Punkt der Randzonen-Oberfläche nicht unterhalb der Unterkante der Schüttungs-Trennung liegt. Um in der Randzone, die auf diese Weise die Schüttung der Betrifcbselemente überragt, die Erzeugung von Leistung auszuschließen, sind in der Randzone nur reine Graphitelemente vorzusehen.

Unter Verwendung nur weniger Zuführungsrohre für die Graphitelemente der Randzone ist es bei einem Kernreaktor mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, die Randzone schmal zu halten (ca. 25 cm dick) und eine Rosettenbildung zu vermeiden, so daß der Einfluß der Randzone auf die Temperaturverteilung des Kühlgases nur gering bleibt Das Kaltgassträhnenproblem ist somit wesentlich herabgesetzt

ίο Vorzugsweise wird die Schüttungs-Trennung aus Graphit hergestellt; metallische Einbauten würden die Wirkung von Absorberstäben beeinträchtigen, die bei einigen Reaktortypen zur Schnellabschaltung oberhalb der Schüttung der Betriebselemente bewegbar sind. Die Schüttungs-Trennung kann massiv ausgebildet sein, da sie nicht in den Kugelhaufen hineinragt

Es ist zweckmäßig, in dem über der Randzone befindlichen Teil des ringartigen Spaltes eine Reihe von Kugelfühlern zu installieren, um den Stand der Graphitelemente in der Randzone kontrollieren zu können. Die Kugelfühler können z. B. aus unten verschlossenen, mit Graphitgranulat gefüllten Rohreii bestehen, die von oben über ein Seil oder eine Stange aur die Oberfläche der Randzone abgesenkt werden. Aus der erreichten Tiefe läßt sich die Höhe der Kugeloberfläche ab;nessen und die Beschickung der Randzone einstellen.

Bei einem Kugelhaufenreaktor, der mit Hilfe von direkt in den Kugelhaufen einfahrbaren Absorberstäben abgeschaltet und geregelt wird, bietet eine Randzone aus reinen Graphitelementen neben dem Schutz des Seitenreflektors vor einer zu hohen Dosis schneller Neutronen noch einen weiteren Vorteil. Sie ermöglicht es, daß der äußere Ring der in einem bestimmten Raster angeordneten Absorberstäbe näher an den Seitenreflektor herangebracht werden kann, wodurch sich die Wirksamkeit des Absorberstabsystems erhöhen läßt bzw. die Anzahl der Absorberstäbe bei gleichbleibender Gesamtwirksamkeit reduziert werden kann.

Normalerweise ist wegen der Belastung des Seitenreflektors durch die Einfahrkräfte der Stäbe ein Abstand zwischen den Absorberstäben des äußeren Ringes und dem Seitenreflektor von 50 cm einzuhalten, wenn dieser Ring voll besetzt ist und voll eingefahren werden soll. Durch die Reflektorwirkung einerseits und das höhere Koo des äußeren Bereichs des Kugelhaufens andererseits ist der Einfluß der im äußeren Ring angeordneten Absorberstäbe sehr hoch. So finden sich hier die maximal wirksamen Absorberstäbe, die bei Ausfall Abschaltreaktivitätsverluste von 2 bis 5 Nile verursachen würden. Kann der äußere Ring der Absorberstäbe näher an den Seitenreflektor geführt werden, so nimmt einerseits die Gesamtwirkuiig an Abschaltreaktivität bei gleichbleibender Anzahl von Absorberschäden zu, andererseits verringert sich die Wirksamkeit jedes dieser »maximalen« Stäbe, was eine weitere Steigerung der Effektivität des Absorberstabsystems bewirbt. Bei einer Randzone aus Graphitkugeln von 30 cm Stärke kann das Abschaltstabsystem ohne weiteres auf 20 cm an die Randzone herangebracht werden, wodurch sich die Abschaltwirksamke'. um etwa 20% steigern läßt; gleichzeitig sinkt die Wirksamkeit jedes »maximalen« Stabes auf Werte unter 1 Nile.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt, und zwar zeigt

F i g. 1 einen Läiigsschritt durch einen mit derVorrichtung ausgestatteten Kernreaktor,
F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie A-Bder Fig. 1.

Bei dem dargestellten Kernreaktor handelt es sich um eine Anlage von 3000 MW,/, Leistung mit einer Leistungsdichte von 5,5 MW/m¹. Der Kern dieses Reaktors besteht aus einer Schüttunj; 1 aus kugelförmigen Bctriebselementen 2, die von einem Deckenreflektor 3. ■"> einem Bodenreflektor 4 und einem zylindrischen Seilenreflektor umgeben ist. Letzterer umfaßt einen festen Reflektormantel 5 und eine Rand/.one 6, die aus einer Schaltung von reinen Graphitkugcln 7 besteht. Die Randzone 6 befindet sich zwischen der Schüttung 1 und ι ο dem festen Reflektormantel 5. Sie hat die Aufgabe, den Reflektormantel 5 vor einer zu hohen Strahlendosis zu schützen.

Die Schüttung 1, also der aktive Kern des Reaktors, setzt sich aus einer inneren und einer diese umgebenden ι > ringartigen äußeren Zone zusammen, die sich hinsichtlich ihres Brennsloffgehaltes unterscheiden. Die kugelförmigen Betriebselemente 2 werden der inneren und der äußeren Kernzone durch 46 Zuführungsrohre 8 zugegeben; die Zuführungsrohre Sa dienen der Beschik- _>o kung der inneren Zone, und die Zuführungsrohre Sb sind für die äußere Zone vorgesehen. Am Boden der Schüttung 1 ist im Bodenreflektor 4 ein Abzugsrohr 9 installiert, durch das sowohl die kugelförmigen Betriebselemente 2 als auch die Graphitkugeln 7 der Rand- :5 zone 6 aus dem Reaktorkern abgezogen werden.

Um die Randzone 6 schmal ausbilden zu können (bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ca. 25 cm dick), ist an der Unterkante 10 des Deckenreflektors 3 eine ringförmige Schüttungs-Trennung 11 aus massivem Graphit angebracht, 'ie bis zu der Oberfläche 12 der Schüttung 1 reicht. Zusammen mit dem festen Reflektormantel 5 begrenzt die Schüttungs-Trennung 11 einen ringartigen Spalt 13. der sich bis in den Deckenreflektor 3 hinein erstreckt. In diesen Spalt münden von oben neun Zuführungsrohre 14, durch die die Randzone 6 mit den Graphitkugeln 7 beschickt wird.

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in dem ringartigen Spalt 13 installiert sind, läßt sich der Stand der Graphitkugein 7 in der Randzone 6 kontrollicren. Die Beschickung der Randzone 6 wird so eingestellt, daß sich die Graphitkugeln 7 bis in den im Deckereflektor 3 befindlichen Teil des ringartigen Spaltes 13 hineinziehen, so daß die mittlere Oberfläche der Randzone 6 über der mittleren Oberfläche der Schüttung 1 liegt. Auf diese Weise wird eine rosettenartige Ausbildung der Randzone 6 verhindert, obwohl zur Beschikkung der Randzone 6 nur neun Zuführungsrohre eingesetzt werden.

Die Schüttung 1 wird von oben nach unten von Kühlgas durchströmt, wie durch Pfeile angedeutet ist (die Zu- und Abführung des fCühlgases ist nicht weiter dargestellt).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Aufbau einer Randzone aus reinen Graphitkugeln um die Betriebselementschüttung eines Hochtemperaturreaktor^, die von oben nach unten von Kühlgas durchströmt wird und von einem Deckenreflektor, einem zylindrischen Seitenreflektor und einem Bodenreflektor umgeben ist, wobei der Seitenreflektor aus einem festen Reflektormantel und der genannten Randzone aus reinen Graphitkugeln besteht, für die in dem Deckenreflektor getrennte Zuführungsrohre vorgesehen sind, die aber gemeinsam mit den Betriebselementen am Boden des Reaktorkerns abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Randzone (6) an der Unterkante (10) des Deckenreflektors (3) eine ringförmige, bis an die Oberfläche (12) der Schüttung (1) reichende Schüttungs-Trennung (11) derart angebracht ist, daß zwischen dem festen Reflek;irmantel (5) und der Schüttungs-Trennung (11) ein ringartiger Spalt (13) gebildet wird, in den^die Graphitelemente (7) der Randzone (6) eingegeben werden und der sich bis in den Deckenreflektor (3) hinein fortsetzt, und daß die mittlere Oberfläche der Randzone (6) über der mittleren Oberfläche der Schüttung (1) der Betriebselemente (2), vorzugsweise innerhalb des in dem Deckenreflektor (3) befindlichen Teiles des ringartigen Spaltes (13), liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttungs-Trennung (11) aus massivem Graphit besieht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem übe: der Rc.idzone (6) befindlichen Teil des ringartigen Spaltes (13) eine Reihe von Kugelfühlern (15) installiert ist.