DE2752028A1

DE2752028A1 - Gasgekuehlter graphitmoderierter kernreaktor

Info

Publication number: DE2752028A1
Application number: DE19772752028
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl Ing Brandes; Arnulf Dipl Phys Huebner; Dietrich Leithner
Original assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Current assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Priority date: 1977-11-22
Filing date: 1977-11-22
Publication date: 1979-05-23
Also published as: CH634943A5; FR2409578A1; FR2409578B1

Description

HOCHTEMPERATUR-REAKTORBAU GmbH Hansaring 53 - 57 5OOO Köln

Gasgekühlter graphitmoderierter Kernreaktor

Die Erfindung betrifft einen gasgekühlten graphitmoderierten Kernreaktor, insbesondere einen Kernreaktor mit einem Kern aus einer Schüttung kugelförmiger Betriebselemente, einem den Kern umgebenden, aus Decke, zylindrischer Seitenwand und Boden gebildeten Reflektor und mit in den Kern einfahrbaren Absorberstäben zur Abschaltung und Regelung des Kernreaktors.

Bekannt ist ein gasgekühlter Kernreaktor mit einem Kern aus einer Schüttung von kugelförmigen Betriebselementen, der für Abschalt- und Regelvorgänge mit Kernabsorberstäben und mit im Seitenreflektor bewegbaren Absorberstäben, im folgenden auch Reflektorstäbe genannt, ausgestattet ist (Hochtemperaturreaktor THTR-300). Bei diesem Reaktortyp werden für Anfahrvorgänge, d.h. für Steuervorgänge zur erneuten Inbetriebnahme des Reaktors nach Abschaltungen, die Kernabsorberstäbe und die Reflektorstäbe benutzt. Für die Teil- oder Schnellabschaltung sind die Reflektorstäbe und für die Voll- oder Langzeitabschaltung die Kernabsorberstäbe vorgesehen. Als Teil- oder Schnellabschaltung des Reaktors wird die Maßnahme bezeichnet, bei der durch schnelles Einbringen von negativer Reaktivität in den Kern der Reaktor sofort unterkritisch gemacht wird. Bei einer in einem eventuellen Störfall durchzuführenden Schnellabschaltung werden die Reflektorstäbe so schnell in eine vorgegebene Stellung in den Kern eingefahren, daß der Reaktor mit

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Sicherheit sofort unterkritisch wird und in diesem Zustand über eine längere Zeitspanne gehalten werden kann. Während dieser Zeit können Störungen erkannt und beseitigt werden. Es ist günstig, wenn das Erkennen und Beseitigen der Störung in möglichst kurzer Zeit erfolgt, da dann der Reaktor durch Ausfahren der Reflektorstäbe im sogenannten Heißstart innerhalb einer Zeitspanne von etwa einer Stunde wieder kritisch gemacht werden kann. Die Zeit, in der der Reaktor im unterkritischen Zustand gehalten werden kann, bestimmt sich aus der Größe der eingebrachten Abschaltreaktivität und aus der Moderatortemperatur, die durch die im Reaktor vorhandenen Einrichtungen zur Nachwärmeabfuhr erzielt wird. Ist eine Behebung des Schadens innerhalb kurzer Zeit nicht möglich, so erfolgt anschließend eine Langzeitabschaltung. Hierfür sind die Kernabsorberstäbe so ausgelegt und mit einem solchen Antrieb versehen, daß sie voll eingefahren die zur Langzeitabschaltung erforderliche negative Reaktivität zuführen können.

Die Schnellabschaltung wird somit bei dem bekannten Reaktor durch Reflektorstäbe und die Langzeitabschaltung durch Kernabsorberstäbe durchgeführt. Reflektorstäbe werden zusätzlich zur Kompensation von Überschußreaktivität für Schnellastregelvorgänge eingesetzt. Sie dienen teilweise auch der Regelung des Reaktors und sind diesem Zweck entsprechend ausgelegt. Um die in der Reaktortechnik verlangten hohen Verfügbarkeiten der Abschalteinrichtungen zu erfüllen, sind für die beiden Stabsysteme für die Schnell- und die Langzeitabschaltung verschiedene Antriebe vorgesehen.

Es ist auch vorgeschlagen worden, bei einem Kernreaktor der eingangs geschilderten Art zusätzlich ein Notabschaltsystem vorzusehen, bei dem als Absorbermittel beispie'lsweise ein neutronenabsorbierendes Gas wie Bortrifluorid in den Reaktorkern

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eingespeist wird oder kleine Absorberkugeln zugegeben werden. Das Absorbermittel wird dann eingespeist, wenn das von in den Kern einfahrbaren Absorberstäben gebildete Abschaltsystem aus irgendwelchen Gründen nicht voll funktionsfähig ist. Bei Ausfall des regulären Abschaltsystems tritt in jedem Fall das Notabschaltsystem in Tätigkeit, was mit dem Nachteil einer längeren Reaktorstillstandszeit verbunden ist, da das in den Reaktorkern eingespeiste Absorbermittel erst wieder aus dem Kern entfernt werden muß.

Bei einem weiteren Kernreaktor mit einer Schüttung von kugelförmigen Betriebselementen besteht die Einrichtung zur Leistungsregelung und zum Abschalten aus einem der Abschaltung und einem der Leistungsregelung dienenden Teil, wobei der der Abschaltung des Kernreaktors dienende Teil in die Schüttung einfahrbare Absorberstäbe umfaßt und der der Leistungsregelung dienende Teil von Absorberstäben gebildet wird, die innerhalb der Wandung des Deckenreflektors und innerhalb des von der Schüttung und dem Deckenreflektor befrenzten Hohlraumes verschiebbar sind (Offenlegungsschrift 2 353 653). Dieser Kernreaktor verfügt nur über ein einziges Abschaltsystem; er kann daher nicht mit hoher Zuverlässigkeit abgeschaltet werden .

Bei weiteren bekannten Kernreaktoren mit einer Schüttung kugelförmiger Betriebselemente wird die erforderliche Sicherheit dadurch gewährleistet, daß zwei voneinander unabhängige Abschaltsysteme vorhanden sind. Ein erstes Abschaltsytem dient der Voll- oder Langzeitabschaltung, die bei diesen Kernreaktoren mit Hilfe von Absorberstäben, die direkt in die Schüttung der Betriebselemente eingefahren werden, vorgenommen wird. Das zweite Abschaltsystem, mit dem die Teil- oder Schnellabschaltung des Kernreaktors erfolgt, kann entweder aus in Öffnungen des Seitenreflektors einfahrbaren Absorber-

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stäben bestehen (Offenlegungsschrift 2 4f51 748), oder es wird aus Absorberstäben gebildet, die im Deckenreflektor und in dem vom Deckenreflektor und der Brennelementschüttung begrenzten Raum bewegbar sind (Offenlegungsschrift 2 612 178).

Stand der Technik ist ferner ein gasgekühlter graphitmoderierter Kernreaktor mit in den Kern einfahrbaren Absorberstäben zur Regelung und Abschaltung des Reaktors, die nicht gleichmäßig über den Kernquerschnitt verteilt sind (Offenlegungsschrift 2 451 749). Die Absorberstäbe sind in einer solchen Weise angeordnet, daß die Belegungsdichte (s) der Kernquerschnittsfläche mit Absorberstäben von der Kernmitte zum Kernrand hin zunimmt. Mit Belegungsdichte wird die Anzahl der Absorberstäbe pro Kernflächeneinheit bezeichnet. Durch diese Verteilung der Absorberstäbe wird erreicht, daß sich auch bei voll abgeschaltetem Kernreaktor ein günstiges radiales Neutronenflußprofil einstellt. Neben den genannten Absorberstäben verfügt der bekannte Kernreaktor über keine weitere Abschalteinrichtung.

Von diesem Stand der Technik ausgehend, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem Kernreaktor der eingangs beschriebenen Art das Abschaltverfahren so zu gestalten, daß der Kernreaktor mit hoher Zuverlässigkeit abgeschaltet werden kann, ohne daß die Einspeisung von Absorbermitteln wie Absorbergasen oder -kugeln in den Reaktorkern mittels eines Notabschaltsystems erforderlich ist. Darüber hinaus soll auch bei voll abgeschaltetem Kernreaktor eine radial abgeflachte Importance-Verteilung für Neutronen vorliegen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Absorberstäbe auf zwei voneinander unabhängige Abschaltsysteme aufgeteilt sind, von denen das erste für die Voll- oder Langzeitabschaltung

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des Kernreaktors vorgesehen ist und das zweite Abschaltsystem der Teil- oder Schnellabschaltung des Kernreaktors dient, wobei die Absorberstäbe des zweiten Abschaltsystems Positionen zwischen den Stabpositionen des ersten Abschaltsystems einnehmen und die Belegungsdichte (s) der Kernquerschnittsfläche mit Absorberstäben des ersten Abschaltsystems am Kernrand größer ist als in der Kernmitte.

Die für Kernreaktoren geltenden hohen Sicherheitsanforderungen verlangen einmal ein Abschaltsystem, mit dem allein der Kernreaktor aus jedem Betriebszustand und aus jeder Störfallsituation heraus schnell unterkritisch gemacht und hinreichend lange unterkritisch gehalten werden kann (Schnellabschaltung) . Zum anderen muß ein weiteres Abschaltsystem vorhanden sein, das den Kernreaktor aus jedem Betriebszustand heraus - ebenfalls für sich allein - unterkritisch fahren kann und auch bei der ungünstigsten Temperatur, die in Betracht kommt, die Unterkritikalitat beliebig lange gewährleistet (Langzeitabschaltung). Bei beiden Abschaltsystemen ist der Ausfall eines maximal wirksamen Absorberstabes zu berücksichtigen.

Gemäß der Erfindung wird den hohen Sicherheitsanforderungen dadurch Rechnung getragen, daß die in den Kern einfahrbaren Absorberstäbe zwei verschiedenen Abschaltsystemen zugeordnet sind, die völlig unabhängig voneinander arbeiten. Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit werden unterschiedliche Stabantriebe eingesetzt, beispielsweise hydraulische und pneumatische Antriebe, wenn nur Hubstäbe verwendet werden sollen, oder Hub- und Drehstäbe. Bei Hochtemperaturreaktoren mit kugelförmigen Betriebselementen werden beispielsweise bei üblichen Kernauslegungen für das Schnellabschaltsystem etwa 3 - kfl Δκ/Κ an Abschaltwirkung benötigt; für das Langzeitabschaltsystem sind etwa 20 - 25% ΛΚ/Κ erforderlich. (ΔΚ/Κ ist die auf den

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Multiplikationsfaktor K bezogene Abweichung von diesem Faktor in Prozenten.) Die 3 - ^/° ΛΚ/Κ Wirksamkeit genügen, den Kernreaktor etwa eine halbe Stunde unterkritisch zu halten, vas als ausreichend angesehen wird. Ent sprechend den zu bindenden Reaktivitäten kann das Schnellabschaltsystem wesentlich weniger Absorberstäbe umfassen als das Langzeitabschaltsystern. Für einen Hochtemperaturreaktor mit einer Leistung
von 1000 MWe reichen beispielsweise 20 bis 30 Absorberstäbe für das Schnellabschaltsystem und 150 bis 200 Absorberstäbe für das Langzeitabschaltsystem aus.

Gegenüber bekannten Kernreaktoren weist der Kernreaktor gemäß der Erfindung den Vorteil auf, daß bei der für die Langzeitabschaltung vorgesehenen Anzahl von Absorberstäben Einsparungen vorgenommen werden können, wenn die gleiche Abschaltwirkung erzielt werden soll. Wird dieselbe Anzahl von Absorberstäben beibehalten, so läßt sich eine höhere Abschaltsicherheit erreichen.

Die beabsichtigte Abflachung der radialen Importance-Verteilung für Neutronen auch im voll abgeschalteten Zustand des
Kernreaktors wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, daß nahe dem Seitenreflektor die Anzahl der Absorberstäbe des ersten Abschaltsystems gegenüber der Stabzahl im Kerninneren erhöht ist. Die Belegungsdichte kann nicht beliebig gewählt
werden, da der Abstand zwischen den einzelnen Absorberstäben durch die Stabkräfte bzw. die Kugelbruchraten und aus konstruktionsgemäßen Gesichtspunkten hinsichtlich des Reaktordruckbehälters nach unten begrenzt ist. Bei den bekannten
Kernreaktoren sind mittlere Belegungsdichten von etwa zwei
Absorberstäben pro Quadratmeter üblich, wobei die wirksamen Stabdurchmesser bei 8-10 cm liegen. (Unter Belegungsdichte wird die Anzahl der Absorberstäbe pro KernfläcJieneinheit verstanden. )

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Vorteilharterweise sind die Absorberstäbe des zweiten Abschaltsystems vorwiegend im mittleren Bereich der Kernquersohni ttsflache angeordnet. Da hier die Belegungsdichte der Absorberstäbe des ersten Abschaltsystems geringer ist, stehen genügend freie Stabpositionen zur Verfügung.

Die Absorberstäbe der beiden Abschaltsysteme können so aufgeteilt sein, daß sie zusammen ein sich über die Kernquerschnittsfläche erstreckendes regelmäßiges Raster bilden. Dabei nehmen - wie bereits beschrieben - die Absorberstäbe des zweiten Abschaltsystems überwiegend Positionen in dem mittleren Kernbereich ein. Die Anzahl der Absorberstäbe beider Abschaltsysteme kann als Funktion des Kernradius dargestollt worden. Das Rastor wird zweckniäßigerweise aus einer Vi f.-J x.mIj I von /·-1 ο i chsoi L i /',on Dreiecken gebildet. Bei einem Y. <:: .-j r <:--iV. <.',! mi ι, ν. y I i n<J r i s < :\\ am Kfjrn ist ein solches Raster .·: . . }'■.:.-.ι r Ι¹,-, ι ι',n:.- mi») Ko s I. i;iif';i'üii(]oji sehr günstig.

'.''-.- '-.·■■.. .:.:-.'i t. <:.'·..'.· i ·.(.· wir»! fl i ο lielegungsdichte der Kernquer- ··.-..-..-j. \i.:': l.-i'.b«; mi ι, Λ \) .s<j rljer s t äben des ersten Abschaltsystems /'-. i ·'.<■: Y.'-. r -mn i I, Lc- /,\im Kernrand hin ständig vergrößert. Um <:in<: -ol'.iir; Verteilung der genannten Absorberstäbe zu erreichen, kann zunächst eine mittlere Belegungsdichte für diese Stäbe ermittelt werden, die etwa auf der Hälfte des Kernradius angeordnet wird. Hiervon ausgehend, wird die Belegungsdichte zur Kernmitte und zum Kernrand hin so verändert, daß die Belegungsdichte in erster Richtung fortlaufend abnimmt und in zweiter Richtung fortlaufend zunimmt.

Eine andere Möglichkeit der Aufteilung der in den Kern einfahrbaren Absorberstäbe besteht darin, die Absorberstäbe beider Abschaltsysteme gemeinsam auf konzentrischen Kreisen anzuordnen. Bei dieser Variante kann die Uologwiig.sdlohte der Kernquerschnittsfläche mit Absorberstnbon des ersten Ab-

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schaltsystenis am Kernrand besonders hoch sein. Es ergeben sich sehr günstige Abschaltbilanzen, da sich - anders als bei einem Dreiecksraster - die Absorberstabkränze azimutal gleichmäßig an die kreisrunde Berandung des Reaktorkerns anschließen lassen. Die bei Ausfall des wirksamsten Absorberstabes vorhandene stabfreie Keriifläche ist daher wesentlich kleiner als bei einem Dreiecksraster. Auch in bezug auf die Konstruktion der Druckbehälterdecke erscheint die Anordnung der Absorberstäbe auf konzentrischen Kreisen als sehr vorteilhaft (wegen der Notwendigkeit, in der Druckbehälterdecke Stabdurchführungen vorzusehen, stehen bei Hochtemperaturreaktoren Konstruktion der Druckbehälterdecke und Anordnung der Absorberstäbe in enger Wechselbeziehung).

Gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung kann das zweite Abschaltsystem durch eine Anzahl von zusätzlichen Absorberstäben verstärkt werden, die in Öffnungen der zylindrischen Seitenwand des Reflektors einfahrbar sind.

An Hand mehrerer Ausführungsbeispiele wird die Erfindung nachstehend erläutert.

Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine übliche Anordnung der Absorberstäbe bei einem Kernreaktor, der innerhalb des Kerns nur über ein einziges Abschaltsystem verfügt,

Fig. 2 die Verteilung der Belegungsdichte von Absorberstäben in Abhängigkeit von dem Kernradius bei einem Kernreaktor gemäß der Erfindung,

Fig. 3 die Anordnung der Absorberstäbe über die

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Kernquerschnittsfläche gemäß der in der Fig. 2 gezeigten radialen Verteilung,

Fig. k eine andere Anordnung der Absorberstäbe

bei einem Kernreaktor gemäß der Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt eine übliche Anordnung von Absorberstäben 1, die direkt in den Kern k eines gasgekühlten graphitmoderierten Kugelhaufenreaktors üblicher Bauart eingefahren werden. Sie bilden ein hexagonales Gitter, in dessen Eckpunkten sich maximal wirksame Absorberstäbe 3 befinden. Alle Absorberstäbe gehören einem einzigen Abschaltsystem an. Die Kernquerschnittsfläche ist mit 2 bezeichnet. Der Kern h ist mit einem nicht näher gezeigten zylindrischen Seitenreflektor umgeben, dessen innere Begrenzung durch den Kreis 5 dargestellt ist.

Im Betriebszustand sind die Stäbe 1 im wesentlichen ausgefahren; lediglich einige der Absorberstäbe 1 sind eingefahren und dienen zur Kompensation der betrieblich notwendigen Überschußreaktivität und zur Abflachung der radialen Leistungsverteilung. Wird der Reaktor nun voll abgeschaltet, d.h. werden sämtliche Absorberstäbe 1 eingefahren, so stellt sich bei der in der Fig. 1 gezeigten Anordnung der Absorberstäbe 1 in einem gleichmäßigen Dreiecksraster 6 eine ungünstige radiale Importance-Verteilung des Neutronenflusses ein, bei der der Kern in seinem mittleren Bereich besser abgeschaltet ist.als in seinem Randbereich.

Die Fig. 2 zeigt eine mögliche Aufteilung des in der Fig. 1 dargestellten gleichmäßigen Dreiecksrasters 6 auf zwei voneinander unabhängige Abschaltsysteme A und B. Es ist hier die Belegungsdichte S der Kernquerschnittsfläche 2 mit Absorberstäben 1 in Abhängigkeit vom Radius r des Reaktorkerns wiedergegeben. Das Abschaltsystem A (obere Kurve) ist für die

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Voll- oder Langzeitabschaltung des Kernreaktor? vorgesehen. Das zweite, mit B bezeichnete Abschaltsystem (untere Kurve) dient der Teil- oder Schnellabschaltung; es nimmt nur Positionen im mittleren Bereich der Kernquerschnittsfläche 2 ein. Beide Abschaltsysteme zusammen ergeben eine konstante Belegungsdichte über die Kernquerschnittsfläche 2.

In der Fig. 3 ist ein konkretes Beispiel der in der Fig. 2 gezeigten Aufteilung der Absorberstäbe 1 dargestellt. Die Bezugsziffern bedeuten das Gleiche wie in der Fig. 1. Nur die Absorberstäbe 1, die den zwei verschiedenen Abschaltsystemen A und B angehören, sind anders bezeichnet: je nach ihrer Zuordnung zu dem einen oder anderen System haben sie die Bezugsziffer 1A oder 1B. Wie aus der Figur erkennbar, ist die Belegungsdichte der Kernquerschnittsfläche 2 mit Absorberstäben 1A am Kernrand wesentlich höher als im mittleren Kernbereich. Bei voll abgeschaltetem Kernreaktor, d.h. nach dem Einfahren aller Absorberstäbe 1A in den Reaktorkern k, stellt sich über den Kernradius eine nahezu gleichmäßige Importance-Verteilung des Neutronenflusses ein, die lediglich im Bereich des Seitenreflektors eine geringfügige Erhöhung aufweist.

Bei der in der Fig. h gezeigten Anordnung der Absorberstäbe 1A und 1B ergibt sich eine ähnliche radiale Importance-Verteilung des Neutronenflusses bei voll abgeschaltetem Kernreaktor. Auch hier sind wieder zwei Abschaltsysteme A und B mit den oben genannten Funktionen vorhanden. Unter Verzicht auf ein völlig gleichmäßiges Raster wird eine höhere Belegungsdichte mit Absorberstäben 1A am Kernrand dadurch erzielt, daß alle Absorberstäbe 1A und 1B auf konzentrischen Kreisen angeordnet und in den beiden äußersten Kreisen nur Absorberstäbe des Voll- oder Langzeitabschaltsystems vorgesehen sind.

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Die Positionen der übrigen Kreise werden von den beiden Abschaltsystemen A und B gemeinsam eingenommen.

Das der Teil- oder Schnellabschaltung dienende Abschaltsystem B kann in seiner Wirkung noch durch weitere Absorberstäbe 8 verstärkt werden, die in Öffnungen des zylindrischen Seitenreflektors eingefahren werden. Bei dem gezeigten Beispiel sind 48 solcher Stäbe (Reflektorstäbe) vorhanden.

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Claims

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Patentansprüche

1. C.as/^ekühlter graphitnioderierter Kernreaktor, insbesondere Kernreaktor mit einem Kern aus einer Schüttung kugelförmiger Betriebselemente, einem den Kern umgebenden, aus Decke, zylindrischer Seitenwand und Boden gebildeten Reflektor und mit in den Kern einfahrbaren Absorberstäben zur Abschaltung und Regelung des Kernreaktors, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberstäbe (1) auf zwei voneinander unabhängige Abschaltsysteme (a und Β) aufgeteilt sind, von denen das erste (a) für die Voll- oder Langzeitabschaltung des Kernreaktors vorgesehen ist und das zweite Abschaltsystem (b) der Teiloder Schnellabschaltung des Kernreaktors dient, wobei die Absorberstäbe (1B) des zweiten Abschaltsystems (b) Positionen zwischen den Stabpositionen des ersten Abschaltsystems (a) einnehmen und die Belegungsdichte (s) der Kernquerschnittsfläche (2) mit Absorberstäben (1A) des ersten Abschaltsystems (a) am Kernrand größer ist als in der Kerninitte.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberstäbe (1B) des zweiten Abschaltsystems (b) vorwiegend im mittleren Bereich der Kernquerschnittsfläche (2) angeordnet sind.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorberstäbe (1A und 1B) beider Abschaltsysteme (A land Β) zusammen ein sich über die Kernquerschnittsfläche (2) erstreckendes regelmäßiges Raster (6) bilden.

h. Kernreaktor nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das regelmäßige Raster (6) von einer Vielzahl von gleichseitigen

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ORIGliMHL INSPECTED

Dreiecken gebildet wird.

5. Kernreaktor nacli Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet , daß die Belegungsdichte (s) der Kernquerschnittsfläche (2) mit Absorberstäben (ia) des ersten Abschalt systems (α) von der Kernmitte zum Kernrand hin ständig zunimmt.

6. Kernreaktor nach Anspruch 1, 2 oder 5> dadurch gekennzeichnet . daß die Absorberstäbe (1A und 1B) beider Abschaltsysteme (Α und B) gemeinsam auf konzentrischen Kreisen (7) angeordnet sind.

7. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Abschalt syst em (β) durch eine Anzahl von zusätzlichen Absorberstäben (8) verstärkt ist, die in Öffnungen der zylindrischen Seitenwand des Reflektors einfahrbar sind.

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