DE2916651A1

DE2916651A1 - Gasgekuehlter hochtemperatur-reaktor mit einem aus einer schuettung kugelfoermiger brennelemente gebildeten kern

Info

Publication number: DE2916651A1
Application number: DE19792916651
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl Ing Dr Brandes; Uwe Dipl Phys Dr Gutsch; Dietrich Dr Leithner; Wolfgang Dr Presser
Original assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Current assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Priority date: 1979-04-25
Filing date: 1979-04-25
Publication date: 1980-11-06
Also published as: FR2455335A1; FR2455335B1; US4332030A

Description

2316651

- 3 - 7 8 4 9

HOCHTEMPERATUR-REAKTORBAU GmbH Hansaring 53 - 57

5000 Köln

Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor mit einem aus einer Schüttung kugelförmiger Brennelemente gebildeten Kern

Die Erfindung betrifft einen gasgekühlten Hochtemperaturreaktor, bei dem der aus einer Schüttung kugelförmiger Brennelemente gebildete Kern von oben nach unten von dem Kühlgas durchströmt wird und die Brennelemente nach einmaligem Durchlaufen der Schüttung den gewünschten Endabbrand erreicht haben, mit einem die Schüttung allseitig umgebenden Reflektor und mit einer ersten Gruppe von Absorberelementen, die stabförmig ausgebildet und direkt in die Schüttung einfahrbar sind und die dem Regeln und Abschalten des Hochtemperaturreaktors dienen.

Es ist bekannt, die Regelung und/oder Abschaltung von sogenannten Kugelhaufenreaktoren mit Hilfe von stabförmigen Absorberelementen vorzunehmen, die ohne eine besondere Führung wie Rohre, Nasen oder dgl. direkt in die Brennelementschüttung eingefahren werden. Je nach Eintauchtiefe vergrößern oder verkleinern die Absorberelemente den Neutronenfluß und damit die von dem Reaktorkern abgegebene Leistung.

Wie in der DE-OS 12 63 939 beschrieben, bestehen die stabförmig en Absorberelemente aus einer äußeren Stahlumhüllung,

030045/8190

dem neutronenabsorbierenden Material und einem inneren Tragrohr. Zur Kühlung der stabförmigen Absorberelemente wird ein Teilstrom des Kühlgases aus dem Bereich oberhalb der Spaltzone durch das Innere der Tragrohre geleitet, der durch Öffnungen in den Stabspitzen wieder austritt.

Aus der DE-OS 23 53 653 ist ein Kernreaktor mit einer Schüttung kugelförmiger Brennelemente bekannt, bei dem die Einrichtung zur Leistungsregelung und zum Abschalten derart ausgebildet ist, daß stabförmige Absorberelemente durch den Deckenreflektor bis zu einer vorbestimmten Einfahrtiefe in den von dem Reflektor umschlossenen Raum einfahrbar sind. Die Einrichtung umfaßt einen der Leistungsregelung und einen der Abschaltung dienenden Teil, wobei der der Abschaltung des Kernreaktors dienende Teil aus in die Schüttung einfahrbaren Absorberstäben besteht 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 begrenzten Hohlraumes verschiebbar sind. Diese Absorberstäbe, die also nicht in die Schüttung eingefahren werden, sind besonders wirksam, wenn der bekannte Kernreaktor in der Weise betrieben wird, daß die Brennelemente die Schüttung nur einmal durchlaufen. In diesem Falle weist der Reaktorkern eine axiale Neutronenflußverteilung auf, die im oberen Drittel des Kerns ein Maximum besitzt .

Bei einem Kernreaktor mit einmaligem Durchlauf der kugelförmigen Brennelemente wirkt sich jedoch nachteilig aus, daß der Seitenreflektor mit einer etwa doppelt so hohen Neutronendosis wie bei mehrmaligem Durchlauf der Brennelemente belastet wird. Es sind daher verschiedene Maßnahmen zum Schutz des Seitenreflektors vorgeschlagen worden. So wird beispielsweise in der DE-OS 23 47 817 ein Kernreaktor mit einmaligem Durchlauf der

030045/0190

kugelförmigen Brennelemente beschrieben, bei dem zum Schutz der gefährdeten Bauteile innerhalb der Wandung des Deckenreflektors sowie der Wandung des oberen Teils des Seitenreflektors Neutronen absorbierende oder die Neutronengeschwindigkeit verringernde Stoffe vorgesehen sind. Diese Stoffe können in Stabform vorliegen und in entsprechenden Hohlräumen untergebracht sein.

Bei allen Hochtemperaturreaktoren, die mit einmaligem Durchlauf der kugelförmigen Brennelemente betrieben werden, sind die direkt in die Schüttung der Brennelemente einfahrbaren stabförmigen Absorberelemente zumindest in ihrem unteren Teil hohen thermischen und schnellen Neutronenflüssen des Reaktorkerns ausgesetzt, da sich - wie bereits erwähnt - bei derartigen Reaktoren eine axiale Leistungsdichteverteilung mit einem Maximum im oberen Drittel des Reaktorkerns einstellt. Infolge der Neutronenbestrahlung tritt eine Schädigung der äußeren Stahlumhüllung der Absorberelemente ein; d. h. das Material versprödet. Aufgrund dieser Schädigung ist die Einsatzzeit der Hüllmaterialien im Reaktorkern begrenzt. Die Versprödung läßt sich auf zwei Vorgänge zurückführen: auf die Wirkung der schnellen Neutronendosis, die Gitterschäden im Material hervorruft, und auf die Wirkung der thermischen Neutronendosis, die durch die Reaktion Ni (n,A^) Ni (n,^) Fe eine Helium-Versprödung in Metall erzeugt.

Eine Abschätzung der Versprödung führt nach derzeitigem Kenntnisstand zu der Aussage, daß die schnelle Neutronendosis eine Standzeit der Absorberelemente von acht Jahren zuläßt, daß jedoch aufgrund der thermischen Neutronendosis die Einsatzzeit der Absorberelemente derzeit auf vier Jahre begrenzt werden muß.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem gasgekühlten Hochtemperaturreaktor der eingangs beschriebenen Bauart

6/.

0300/* R/0190

die Bestrahlung der unteren Teile der Absorberelemente mit thermischen Neutronen so weit zu schwächen, daß die Schädigung der Absorberelemente durch den thermischen Neutronenfluß nicht mehr allein für die Standzeit der Absorberelemente bestimmend ist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Brennelementschüttung eine zweite Gruppe von Absorberelementen mit geringerem Absorptionsvermögen für thermische Neutronen als die erste Gruppe vorgesehen ist, die rohrförmig ausgebildet und zwischen einer oberen und einer unteren Endstellung bewegbar sind, daß jedes rohrförmige Absorberelement ein stabförmiges Absorberelement umfaßt und bis zum Erreichen seiner Endstellungen gleichsinnig mit diesem bewegt wird und daß die untere Endstellung der rohrförmigen Absorberelemente als diejenige festgelegt ist, in der die unteren Enden dieser Absorberelemente die Oberfläche der Brennelementschüttung berühren.

Gemäß der Erfindung übernehmen die rohrförmigen Absorberelemente den Schutz der stabförmigen Absorberelemente von einer zu hohen thermischen Neutronendosis. Damit werden die Belastungen des Hüllmaterials der stabförmigen Absorberelemente auf die rohrförmigen Absorberelemente verlagert. Da letztere jedoch nur bis zur Oberfläche der Brennelementschüttung bewegt werden, also nicht in die Schüttung eindringen, sind sie keinen PrimärSpannungen ausgesetzt, und es lassen sich trotz zunehmender Versprödung ihres Werkstoffes hohe Standzeiten bei ihnen erzielen. Diese Standzeiten sind vergleichbar mit den Standzeiten, die von den in einem Reaktor mit blockförmigen Brennelementen verwendeten Absorberelementen erreicht werden.

Bei den stabförmigen Absorberelementen werden zwar nur die oberhalb der Brennelementschüttung befindlichen Teile durch die rohrförmigen Absorberelemente geschützt. Da die stabförmigen

030 045/0190

2S166S1

Absorberelernente jedoch in einem großen Anteil ihrer Einsatzzeit so weit ausgefahren sind, daß sich die stark belasteten Stabenden oberhalb der Brennelementschüttung und damit innerhalb der rohrförmigen Absorberelemente befinden, wird insgesamt eine erhebliche Verlängerung ihrer Einsatzzeit erzielt.

Aus der US-PS 3, 365, 368 ist zwar ein gasgekühlter Kernreaktor bekannt, bei dem oberhalb des (nicht aus kugelförmigen Brennelementen bestehenden) Reaktorkerns eine Regel- und Abschalteinrichtung vorgesehen ist, die zwei Gruppen von Absorberelementen umfaßt, von denen die eine von stabförmigen und die andere Gruppe von rohrförmigen Absorberelementen gebildet wird. Die stabförmigen Absorberelemente sind jeweils in den rohrförmigen Absorberelementen angeordnet und in ihnen teleskopartig bewegbar. Die die normalen Regel- und Abschaltfunktionen übernehmenden Absorberelemente, die ein entsprechend hohes Neutronenabsorptionsvermögen aufweisen, sind hier jedoch rohrförmig ausgebildet, während die stabförmigen Absorberelemente nur ein vermindertes Neutronenabsorptionsvermögen besitzen. Sie haben die Aufgabe, die Überschußreaktivität zu kontrollieren . Beide Stabgruppen werden ganz in Kanäle des Reaktorkerns eingefahren; d. h. sie haben ihre untere Endstellung am Boden der unten von dem Bodenreflektor begrenzten Kanäle. Die teleskopartige Anordnung von Absorberstäben in Absorberrohren soll hier die Aufgabe lösen, mit möglichst wenigen Äbsorberelementpositionen sowohl die Vollabschaltung als auch die Reaktivitätskontrolle aufgrund der Xenon-135-Konzentrationsänderungen zu beherrschen.

Bei einem gemäß der Erfindung ausgestalteten Hochtemperaturreaktor können zur Kompensation von DichteSchwankungen des Xenon-135-Spaltproduktes die stabförmigen Absorberelemente innerhalb des zwischen dem oberen Reflektor und der Oberfläche der Brennelementschüttung befindlichen Hohlraumes verfahren

8/.

030045/0190

werden (in seltenen Fällen können die stabförmigen Absorberelemente auch bis zu einer Tiefe von einigen Dezimetern in die Brennelementschüttung eingebracht werden, um die erforderliche Variation der Reaktivität zu erhalten). Die für ein Teillastfahrprogramm notwendigen Überschußreaktivitäten können ebenfalls durch stabförmige Äbsorberelemente gebunden werden, die in dem Bereich oberhalb der Brennelementschüttung verfahren werden.

Vorzugsweise wird der Hochtemperaturreaktor so ausgestaltet, daß die stabförmigen Absorberelemente auf ihrem Weg durch den Hohlraum zwischen dem oberen Reflektor und der Oberfläche der Brennelementschüttung ständig von den rohrförmigen Absorberelementen umgeben sind. Solange die stabförmigen Absorberelemente in diesem Bereich bewegt werden, werden die rohrförmigen Absorberelemente bis zum Erreichen ihrer unteren Endstellung im gleichen Sinne bewegt. Diese Endstellung behalten die rohrförmigen Absorberelemente bei, auch wenn die stabförmigen Äbsorberelemente weiter in die Brennelementschüttung eingefahren werden (bis in ihre Endstellung bei ca. 5 m Eintauchtiefe).

Werden die stabförmigen Absorberelemente wieder aus der Brennelementschüttung ausgefahren, so wird durch eine Kopplung der beiden Gruppen von Absorberelementen dafür gesorgt, daß die rohrförmigen Absorberelemente mit in die Höhe genommen werden. Erfindungsgemäß ist die durch einen Mitnehmer realisierte Kopplung so ausgestaltet, daß sie erst dann in Tätigkeit tritt, wenn die unteren Enden der beiden jeweils einander zugeordneten Absorberelemente sich in gleicher Höhe befinden.

Die Abwärtsbewegung der rohrförmigen Äbsorberelemente kann unter Einwirkung der Schwerkraft erfolgen. Zweckmäßigerweise sind an den rohrförmigen Absorberelementen in entsprechender Höhe Ansätze angebracht, die sich bei Erreichen der unteren Endstellung an einer Sperre, beispielsweise an dem oberen Reflektor.

030045/0190

2316651

anlegen und damit die Abwärtsbewegung der Absorberelemente stoppen.

Zur Führung des oberen Teils der rohrförmigen Absorberelemente kann vorteilhafterweise mindestens je ein Lager vorgesehen sein, das z. B. in dem oberhalb des Reflektors befindlichen thermischen Deckenschild installiert sein kann.

Die rohrförmigen Absorberelemente werden vorzugweise aus Stahl hergestellt, wobei sie z. B. eine Wandstärke von 5 mm aufweisen können. Diese Wandstärke bewirkt eine Schwächung der thermischen Neutronen um den Faktor 2; d. h. die Belastung der stabförmigen Absorberelemente durch thermische Neutronen wird so weit herabgesetzt, daß sich ihre Standzeit verdoppelt. Damit wären thermische und schnelle Neutronendosis gleichzeitig standzeitbestimmend für die der Regelung und Abschaltung dienenden Absorberelemente. Von Vorteil ist auch, daß die Wärmeproduktion in den letztgenannten Absorberelementen ebenfalls, und zwar auf die Hälfte, reduziert wird.

Es besteht auch die Möglichkeit, dem für die rohrförmigen Absorberelemente verwendeten Stahl geringe Mengen von Bor beizumengen, um die Absorberwirkung dieser Absorberelemente noch zu steigern, d. h. die thermische Neutronendosis weiter herabzusetzen. Der Prozentanteil von Bor kann etwa 1 bis 3 % betragen.

In der Zeichnung ist ausschnittsweise ein Ausführungsbeispiel des Hochtemperaturreaktors gemäß der Erfindung schematisch dargestellt, wobei der gezeigte Ausschnitt einen Teil der Regel- und Abschalteinrichtung umfaßt. Die Figuren zeigen im einzelnen;

Fig. 1 ein stabförmiges Absorberelement, das in die

Brennelementschuttung eingefahren ist, mit seinem zugehörigen rohrförmigen Absorberelement,

10/.

3 0 0 4 5/01

Fig. 2 das stabförmige Absorberelement beim Ausfahren aus der Brennelementschüttung.

Der gasgekühlte Hochtemperaturreaktor gemäß der Erfindung besitzt einen Kern, der von einer Schüttung 1 kugelförmiger Brennelemente 2 gebildet wird. Die Schüttung 1 ist allseitig von einem Reflektor umgeben, von dem hier nur der obere Reflektor 3 gezeigt ist. Zwischen dem oberen Reflektor 3 und der Oberfläche der Brennelementschüttung 1 befindet sich ein Hohlraum 4. Ein thermischer Deckenschild 5 ist oberhalb des oberen Reflektors 3 angeordnet, wie in der Zeichnung nur angedeutet ist.

Die Regel- und Abschalteinrichtung des erfindungsgemäßen Hochtemperaturreaktors umfaßt eine Anzahl von stabförmigen Absorberelementen 6, die durch in dem oberen Reflektor 3 vorgesehene Bohrungen 7 direkt in die Schüttung 1 der Brennelemente 2 eingefahren werden können. Sie bestehen aus einem Absorbermaterial mit einer äußeren Stahlumhüllung und einem inneren Tragrohr. Wie Fig. 2 erkennen läßt, besitzen die stabförmigen Absorberelemente 6 bei diesem Ausführungsbeispiel eine eierbecherförmige Spitze 8. Die Antriebe für die Absorberelemente 6 sind oberhalb des thermischen Deckenschildes 5 angeordnet (nicht dargestellt).

Für jedes stabförmige Absorberelement 6 ist ein rohrförmiges Absorberelement 9 vorgesehen, das das erstgenannte Absorberelement umfaßt. Die rohrförmigen Absorberelemente 9 bestehen aus einem Material, das ein weit geringeres Absorptionsvermögen für thermische Neutronen besitzt als das Absorbermaterial der stabförmigen Absorberelemente 6, beispielsweise aus Stahl mit einer Beimengung von 1 bis 3 % Bor. Sie weisen eine Wandstärke von etwa 5 mm auf und sind je durch mindestens ein Lager 10 geführt, das in dem thermischen Deckenschild 5 installiert ist.

Die rohrförmigen Absorberelemente 9 sind zwischen einer oberen und einer unteren Endstellung bewegbar, wobei die untere Endstellung dann von den rohrförmigen Absorberelementen 9 einge-

11/...

030045/0190

nommen wird, wenn deren untere Enden 11 gerade die Oberfläche der Brennelementschüttung 1 berühren. Die Bewegung der rohrförmigen Absorberelemente 9 erfolgt gleichsinnig mit der Bewegung der stabförmigen Absorberelemente 6. Für die Abwärtsbewegung der rohrförmigen Absorberelemente 9 kann die Schwerkraft ausgenutzt werden.

Um die Absorberelemente 9 nach Erreichen der unteren Endstellung abzustoppen, weisen sie in entsprechender Höhe an ihrem Umfang angebrachte Ansätze 12 auf. Diese Ansätze 12 legen sich an einer Sperre an (die hier von dem oberen Reflektor 3 gebildet wird), sobald die Enden 11 der rohrförmigen Absorberelemente 9 die Brennelementschüttung 1 berühren. In dieser Stellung ist eines der rohrförmigen Absorberelemente 9 in der Fig. 1 gezeigt; das zugehörige stabförmige Absorberelement 6 nimmt ebenfalls seine untere Endstellung ein, d. h. ist ein Stück in die Schüttung 1 der Brennelemente 2 eingefahren. Das in dem Hohlraum 4 befindliche Teilstück des stabförmigen Absorberelementes 6 ist vollständig von dem rohrförmigen Absorberelement umgeben; es wird daher nur von einer stark geschwächten thermischen Neutronendosis belastet.

Für die Aufwärtsbewegung werden die rohrförmigen Absorberelemente 9 direkt mit den zugehörigen stabförmigen Absorberelementen 6 gekoppelt. Dazu ist für jedes Paar ein Mitnehmer vorgesehen, der in diesem Ausführungsbeispiel aus einer am äußeren Umfang des stabförmigen Absorberelementes 6 befindlichen ringartigen Auskragung 13 und aus einer ähnlichen Auskragung 14 an der Innenwand des rohrförmigen Absorberelernentes 9 besteht. Die beiden Auskragungen 13 und 14 sind in einer solchen Höhe an den Absorberelementen 6 und 9 angebracht, daß der Mitnehmer erst dann in Tätigkeit tritt, wenn das untere Ende des rohrförmigen Absorberelementes 9 sich mit der Stabspitze 8 des stabförmigen Absorbereiementes 6 in gleicher Höhe befindet.

12/..

030045/0190

In der Fig. 2 ist ein Paar von Absorberelementen 6/9 zum Zeitpunkt ihrer Zusammenkopplung gezeigt; d. h. die beiden Mitnehmerteile 13 und 14 greifen ineinander, und das rohrförmige Absorberelement 9 wird von dem stabförmigen Absorberelement 6 mit nach oben genommen. Letzteres wird auf dem ganzen im Hohlraum 4 zurückzulegenden Weg von dem rohrförmigen Absorberelement 9 geschützt. Dieser Schutz wird den Regel- und Abschaltelementen 6 auch zuteil, wenn sie zur Bindung von Überschußreaktivität im Bereich des Hohlraumes 4 verfahren werden.

030045/0190

//3

Leerseite

Claims

7 8 4 9

Patentansprüche

Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor, bei dem der aus einer Schüttung kugelförmiger Brennelemente gebildete Kern von oben nach unten von dem Kühlgas durchströmt wird und die Brennelemente nach einmaligem Durchlaufen der Schüttung den gewünschten Endabbrand erreicht haben, mit einem die Schüttung allseitig umgebenden Reflektor und mit einer ersten Gruppe von Absorberelementen, die stabförmig ausgebildet und direkt in die Schüttung einfahrbar sind und die dem Regeln und Abschalten des Hochtemperaturreaktors dienen, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Brennelement schüttung (1) eine zweite Gruppe von Absorberelementen (9) mit geringerem Absorptionsvermögen für thermische Neutronen als die erste Gruppe vorgesehen ist, die rohrförmig ausgebildet und zwischen einer oberen und einer unteren Endstellung bewegbar sind, daß jedes rohrförmige Absorberelement (9) ein stabförmiges Absorberelement (6) umfaßt und bis zum Erreichen seiner Endstellungen gleichsinnig mit diesem bewegt wird und daß die untere Endstellung der rohrförmigen Absorberelemente (9) als diejenige festgelegt ist, in der die unteren Enden (11) dieser Absorberelemente (9) die Oberfläche der Brennelementschüttung (1) berühren.

Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stabförmigen Absorberelemente (6) in dem Hohlraum (4) zwischen dem oberen Reflektor (3) und der Oberfläche der Brennelementschüttung (1) ständig von den rohrförmigen Absorberelementen (9) umgeben sind.

030045/0 1 ⁿ

291665Ί

3. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung jedes rohrförmigen Absorberelements (9) mit dem zugehörigen stabförmigen Absorberelement (6) bei der Aufwärtsbewegung durch einen Mitnehmer (13,14) bewirkt wird, der dann in Tätigkeit tritt, wenn die unteren Enden (8,11) der beiden Absorberelemente (6,9) sich in gleicher Höhe befinden.

4. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzelehnet, daß die Abwärtsbewegung der rohrförmigen Absorberelemente (9) unter Einwirkung der Schwerkraft erfolgt, wobei die Bewegung nach Erreichen der unteren Endstellung durch an den Absorberelementen (9) angebrachte Ansätze (12) gestoppt wird, die sich an einer Sperre, beispielsweise an dem oberen Reflektor {3)_f anlegen.

5. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 1,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmigen Absorberelemente (9) in ihrem oberen Teil je durch mindestens ein Lager

(10) geführt sind.

6. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmigen Absorberelemente (9) aus Stahl hergestellt sind und eine Wandstärke von ca. 5 mm aufweisen.

7. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet, daß die rohrförmigen Absorberelemente (9) aus Stahl, dem 1 bis 3 % Bor beigemengt ist, hergestellt sind.

3/.

030045/0190