DE2945964C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Notabschaltung und Nachwärmeabfuhr eines gasgekühlten Hochtemperaturreaktors mit einem Kern aus einer Schüttung kugelförmiger Brennelemente, die durch Zugabeeinrichtungen von oben in den Kern eingebracht und durch mindestens ein Kugelabzugsrohr unten aus dem Kern abgezo­ gen werden, gemaß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei allen Kernreaktoren werden an die sicherheitstechnische Auslegung sowohl des Abschalt- wie auch des Nachwärmeabfuhr­ systems hohe Anforderungen gestellt, um auch bei Störfällen das Abschalten der Kernreaktoren und das Abführen der Zerfallswärme radioaktiver Spaltprodukte sicher zu gewährleisten. Dies gilt auch für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren mit kugelförmigen Brennelementen.

Bei diesen sogenannten Kugelhaufenreaktoren wird die Abschal­ tung durch Absorberstäbe erzielt, die frei in den Kugelhaufen eingefahren werden (DE-PS 12 63 939, DE-AS 23 53 653). Zusätz­ lich können, beispielsweise für die Teilzeit- oder Schnellab­ schaltung, weitere Absorberstäbe in Bohrungen des Seitenreflek­ tors eingebracht (DE-OS 24 51 748) oder im Deckenreflektor und in dem von dem Deckenreflektor und der Kugelhaufenoberfläche begrenzten Hohlraum bewegt werden (DE-OS 26 12 178).

Eine weitere Möglichkeit, einen Kugelhaufenreaktor abzuschal­ ten, besteht darin, kleine Absorberkugeln in die Brennele­ mentschüttung einzuspeisen (DE-OS 23 25 828). Bekanntgeworden ist auch ein Abschaltverfahren, bei dem der Abschaltvorgang durch Erhöhen der mittleren Kerntemperatur mittels Nachwärme­ produktion eingeleitet wird (DE-OS 22 17 816). Die genannte Temperaturerhöhung wird durch Verminderung der Kühlmittelzufuhr erzielt.

Für das Abführen der Nachwärme werden bei Hochtemperaturreak­ toren mit kugelförmigen Brennelementen entweder Betriebssysteme benutzt (so erfolgt beim THTR-300 die Nachwärmeabfuhr über die sechs Betriebsdampferzeuger, die in Notfällen als redundantes Notkühlsystem abgeschaltet werden), oder es sind gesonderte Hilfskreisläufe vorgesehen, die im wesentlichen einen Wärmetau­ scher, ein Gebläse und einen Antriebsmotor für das letztere um­ fassen (DE-OS 26 24 243, DE-OS 26 59 093). Die Nachwärme kann auch durch freie Konvektion des Kühlgases über Hilfswärmetau­ scher abgeführt werden, die jeweils parallel zu den Hauptwarme­ tauschern installiert sind (DE-OS 26 40 786). Eine weitere Mög­ lichkeit, die Nachzerfallswärme abzuleiten, besteht darin, den Deckenreflektor - in weiterem Sinne - als Wärmetauscher auszu­ bilden und ihn über Rohrleitungen mit einer außerhalb des Reak­ torbehälters befindlichen Wärmesenke zu verbinden (DE-OS 26 23 978).

Eine Einrichtung, die die Merkmale des Oberbegriffs des Patent­ anspruchs 1 der vorliegenden Anmeldung aufweist, ist aus der DE-OS 29 14 151 bekannt. Das Auffangbecken besteht hier aus einem Ringraum, dessen Seitenwände von kühlmitteldurchströmten Flossenwänden gebildet werden. Diese weisen innen eine vorzugs­ weise aus Kohlesteinen bestehende Wärmeisolierung auf. Durch die besondere Ausgestaltung des Ringraumbodens wird eine gleichmäßige Verteilung der Brennelemente über den Ringraum erreicht, wodurch sich eine gleichmäßige und intensive Nachwär­ meabfuhr aus den Brennelementen ergibt. Eine Unterkritikalität des Ringraum-Inhalts läßt sich allerdings mit dem vorgesehenen Kühlsystem nicht erzielen.

Aus der DE-OS 25 16 123 ist es ferner bekannt, bei Eintritt von Störfällen in einem Hochtemperaturreaktor (z.B. Absinken des Kühlgasdruckes und/oder Ausfall der Kühlgasgebläse) die Nach­ wärme durch Einbringen von Wasser in den Reaktorkern abzufüh­ ren. Nach Möglichkeit wird vorher der Reaktor durch Einfahren von Absorberstäben abgeschaltet. Dieses bekannte Verfahren ist jedoch mit einigen Nachteilen behaftet. So ist es schwierig, das Wasser in der gewünschten Weise in den Kugelhaufen einzu­ bringen, und es muß ein Druckaufbau im Reaktordruckbehälter in Kauf genommen werden. Ferner bietet die Wiederentfernung des Wassers aus dem Reaktordruckbehälter erhebliche Schwierigkei­ ten. Nicht auszuschließen ist auch ein Reaktivitätsanstieg im Reaktorkern. Muß der Reaktor stillgelegt werden, so wird dem Wasser Absorbermaterial beigegeben.

Von dem genannten Stand der Technik ausgehend, liegt der Erfin­ dung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung nach dem Qberbe­ griff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß nach einem Störfall mit Versagen der Abschalt- und Nachwärmeabfuhrsysteme und erfolgter Kernentleerung eine ausreichende Kühlung der Brennelemente gewährleistet ist und damit die Abgabe von radio­ aktiven Spaltprodukten an die Umgebung in den zulässigen Gren­ zen bleibt.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung werden spezielle Eigen­ schaften eines Hochtemperaturreaktors mit kugelförmigen Brenn­ elementen ausgenutzt, die diesem Kernreaktor auch eine hohe Sicherheit verleihen.

So bleiben bei den kugelförmigen Brennelementen, die aus einer Graphitmatrix und aus von dieser Matrix umschlossenen beschich­ teten Teilchen (coated particles) bestehen, die radioaktiven Spaltprodukte bis auf einen geringen Anteil von weniger als 1‰ in den beschichteten Teilchen eingeschlossen; d.h. es wer­ den nur wenige Spaltprodukte in das Kühlgas freigesetzt. So kann selbst bei völliger Abgabe des Kühlgases an die Umgebung nur begrenzter Schaden entstehen. Allerdings muß für eine aus­ reichende Kühlung der Brennelemente gesorgt sein, was wirkungs­ voll mit Wasser geschehen kann.

Da die Brennelemente (im Vergleich mit Druckwasserreaktoren) eine niedrige Leistungsdichte aufweisen und über eine große Wärmekapazität verfügen, heizen sie sich sehr langsam auf, wenn die Zwangskühlung ausfällt. Es bleibt somit hinreichend Zeit zur Einleitung von Gegenmaßnahmen.

Können die Brennelemente auf einer Temperatur gehalten werden, die unterhalb von 450°C liegt, so kann eine Korrosion der Brennelemente ausgeschlossen werden, da der Graphit der Brenn­ elemente in diesem Temperaturbereich praktisch weder mit Luft noch mit Wasser reagiert.

Ferner macht sich die vorgeschlagene Einrichtung die Tatsache zunutze, daß ein Hochtemperaturreaktor unterkritisch wird, wenn dem Kühlgas Wasser- bzw. Wasserdampf einer ausreichend hohen Konzentration beigemischt wird. Bei völliger Überflutung wird der Reaktorkern weit unterkritisch.

Eine Rolle spielen schließlich auch Form und Größe der Brenn­ elemente, denn nur kleine kugelförmige Brennelemente lassen sich relativ leicht und unter Ausnutzung der Schwerkraft aus dem Reaktorkern abziehen.

Nach obiger Darstellung ist es somit möglich, mit der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung sowohl eine Notkühlung als auch eine Abschaltung eines Hochtemperaturreaktors mit kugelförmigen Brennelementen zu erreichen.

Durch die vorhandenen Mittel, die die infolge Verdampfens oder Verdunstens auftretenden Wasserverluste wieder ersetzen, ist eine ausreichende Kühlung der Brennelemente im Auffangbecken auch während der Nachwärmeabfuhr gewährleistet.

Die zur Ableitung von Wasserdampf, Kühlgas und Reaktionsgasen vorgesehene Rohrleitung gibt die genannten Medien entweder di­ rekt an die Umgebung oder (bei innerhalb des Reaktorschutzge­ bäudes angeordneter Einrichtung) in das Reaktorschutzgebäude ab.

Vorzugsweise erfolgt die Ableitung von Wasserdampf, Kühlgas und Reaktionsgasen aus dem Auffangbecken über ein Filtersystem, das der Zurückhaltung von Spaltprodukten dient.

In die Rohrleitung kann eine bei einem vorgegebenen Druck öff­ nende Sicherheitseinrichtung, beispielsweise ein Ventil oder eine Berstscheibe, eingebaut sein.

Wie oben beschrieben, führt die Entleerung des Reaktorkerns in ein Auffangbecken, das mit normalem Wasser gefüllt ist, bereits zu einer unterkritischen Anordnung. Sollte in einigen wenigen Fällen der Grad der Unterkritikalität nicht ausreichen, so kann gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung in dem Auffang­ becken neutronenabsorbierendes Material vorgesehen sein. Vorzugsweise wird das neutronenabsorbierende Material dem Was­ ser beigemischt. Seine Zugabe wird so dosiert, daß sich der ge­ wünschte Grad an Unterkritikalität in dem oder den Auffang­ becken einstellt. Das neutronenabsorbierende Material kann auch in fester Form in oder an den Beckenwänden untergebracht sein, beispielsweise als Gitter oder Stäbe. Allerdings ist dann wäh­ rend der Entleerung keine Dosierung möglich.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung kann bei einem Hochtempera­ turreaktor mit einem an seinem Boden befindlichen Kugelabzugs­ rohr so ausgestattet sein, daß sie aus einem einzigen Auffang­ becken besteht, welches so groß ausgelegt ist, daß es den ge­ samten Inhalt des Reaktorkerns aufnehmen kann.

In Verbindung mit einem Hochtemperaturreaktor, aus dessen Boden mehrere Kugelabzugsrohre herausführen, kann die Einrichtung ebenfalls mit einem oder mit mehreren Auffangbecken ausgestat­ tet sein. Vorzugsweise ist in letzterem Falle jedem Kugelab­ zugsrohr ein mit Wasser gefülltes Auffangbecken zugeordnet. Dabei kann zwischen jedem Kugelabzugsrohr und dem zugehörigen Auffangbecken ein Leitrohr mit einer Absperreinrichtung, z.B. einem Absperrschieber, vorhanden sein.

Die Temperatur des in dem oder den Auffangbecken befindlichen Wassers sollte bei weniger als 100°C liegen. Vorzugsweise ist die Einrichtung außerhalb des Reaktorschutzge­ bäudes installiert, und das oder die Auffangbecken sind für niedrigen Druck ausgelegt. Letzteres ist vor allem dann zuläs­ sig, wenn die Entleerung des Reaktorkerns erst bei drucklosem Reaktor erfolgen soll. Die Einrichtung kann etwa für Atmo­ sphärendruck ausgelegt sein.

Bei Hochtemperaturreaktoren, deren Schnellentleerung auch bei druckbeaufschlagtem Reaktorkern möglich sein soll, wird die erfindungsgemäße Einrichtung vorteilhafterweise innerhalb des Reaktorschutzgebäudes angeordnet und für hohen Druck ausgelegt.

Wie bereits erwähnt, erfolgt eine Aufheizung der kugelförmigen Brennelemente auch bei Ausfall der Zwangskühlung nur sehr lang­ sam. Es steht somit hinreichend Zeit zur Verfügung, um Gegen­ maßnahmen auch von Hand einzuleiten. Die Kernentleerung kann daher vorteilhafterweise ebenfalls von Hand ausgelöst werden, sobald erkennbar ist, daß eine Langzeitabschaltung oder die Abfuhr der Nachwärme mit den sonst dafür vorgesehenen Mitteln nicht mehr gewährleistet ist.

Es ist aber auch möglich, bei Versagen der betriebsmäßigen Ab­ schalt- und Nachwärmeabfuhrsysteme automatisch die Entleerung des Reaktorkerns in das mit Wasser gefüllte Auffangbecken aus­ zulösen.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung sind in der Zeichnung zwei Ausführungsbeispiele der Einrichtung schematisch wiederge­ geben. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Kugelhaufen­ reaktor mit einer ersten Einrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine zweite Einrichtung für einen solchen Kernreaktor.

Die Fig. 1 läßt einen Reaktordruckbehälter 1 erkennen, der den Kern 2 eines Hochtemperaturreaktors umschließt. Der Kern 2 wird aus einer Schüttung von kugelförmigen Brennelementen gebildet. Der Reaktordruckbehälter 1 ist innerhalb eines Reaktorschutzge­ bäudes 3 angeordnet.

Am Boden des Kerns 42 sind mehrere Kugelabzugsrohre 4 mit koni­ schem Kugeleinlauf vorgesehen. Von jedem Kugelabzugsrohr 4 zweigt ein Auslaufrohr 5 für die Schnellentleerung des Kerns 2 ab. Die Auslaufrohre 5 werden aus dem Reaktorschutzgebäude 3 herausgeführt und treten in ein mit Wasser gefülltes Auf­ fangbecken 6 ein, das neben dem Reaktorschutzgebäude angeord­ net ist, und zwar derart, daß es sich unterhalb des Niveaus des Kerns 2 befindet. Das Auffangbecken 6 ist so groß ausge­ legt, daß es den gesamten Inhalt des Kerns 2 aufnehmen kann.

Das in dem Becken 6 befindliche Wasser weist eine Temperatur von weniger als 100°C auf. Dem Wasser kann neutronenabsorbie­ rendes Material beigemischt sein. Das neutronenabsorbierende Material kann aber auch in fester Form, z.B. in Form eines Gitters oder von Stäben, in oder an den Wänden des Auffang­ beckens 6 angeordnet sein (nicht dargestellt). In das Auf­ fangbecken 6, das für niedrigen Druck (annähernd Atmosphären­ druck) ausgelegt ist, tritt eine Wasserzuführungsleitung 7 ein, in der ein Absperrschieber 8 installiert ist. Bei Bedarf wird durch diese Leitung dem Auffangbecken 6 frisches Wasser zuge­ führt, um durch Verdampfung oder Verdunstung verlorengegange­ ne Wassermengen zu ersetzen.

In den Auslaufrohren 5 für die Schnellentladung sind Absperr­ einrichtungen 9 angeordnet, die von Hand geöffnet werden kön­ nen. Es kann jedoch auch eine automatische Bedienung der Ab­ sperreinrichtungen 9 vorgesehen sein, die so eingerichtet ist, daß bei Versagen der betriebsmäßigen Abschalt- und/oder Nach­ wärmeabfuhrsysteme die Absperreinrichtungen 9 automatisch be­ tätigt und die Brennelemente in das Auffangbecken 6 entladen werden. Die Einbauorte für die Absperreinrichtungen 9 werden nach den jeweils vorliegenden Gegebenheiten gewählt.

Die Ableitung von Wasserdampf, Kühlgas und Reaktionsgasen aus dem Auffangbecken 6 erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel in die Atmosphäre, wozu eine Rohrleitung 10 vorgesehen ist. In die Rohrleitung 10 ist eine Sicherheitseinrichtung 11, z.B. eine Berstscheibe oder ein Sicherheitsventil, eingebaut, die bei Überschreiten eines vorgegebenen Druckes öffnet.

In der Fig. 2 ist ein zweites Beispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung dargestellt, die ebenfalls ein außerhalb des (nicht gezeigten) Reaktorschutzgebäudes angeordnetes Auffang­ becken 6 umfaßt. In das Auffangbecken 6 münden wieder mehrere Auslaufrohre 5 für die Schnellentleerung, die je mit einem Kugelabzugsrohr verbunden sind. Über die Wasserzuführungslei­ tung 7 und den Absperrschieber 8 kann die Wassermenge in dem Auffangbecken 6 geregelt werden.

Aus dem Auffangbecken 6 tritt eine Leitung 12 aus, durch die das Gemisch von Wasserdampf, Kühlgas und Reaktionsgasen einem Filtersystem 13 zugeführt wird. Das Filtersystem 13 ist so ein­ gerichtet, daß radioaktive Spaltprodukte in ihm zurückgehalten werden. Das restliche Gemisch wird durch die mit der Sicher­ heitseinrichtung 11 versehene Rohrleitung 10 an die Umgebung abgegeben.

Claims (12)

1. Einrichtung zur Notabschaltung und Nachwärmeabfuhr eines gasgekühlten Hochtemperaturreaktors mit einem Kern aus einer Schüttung kugelförmiger Brennelemente, die durch Zugabeeinrichtungen von oben in den Kern eingebracht und durch mindestens ein Kugelabzugsrohr unten aus dem Kern abgezogen werden, wobei ein Auffangbecken, das auf einem niedrigeren Niveau als der Reaktorkern angeordnet ist, vorgesehen ist, in das der gesamte Reaktorkern unter Aus­ nutzung der Schwerkraft durch das Kugelabzugsrohr entleert werden kann, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• a) das Auffangbecken (6) ist mit Wasser einer solchen Menge gefüllt, daß sich bei der Kernentleerung ein unterkritischer Zustand einstellt;
• b) es sind Mittel (7, 8) vorhanden, durch welche die in­ folge Verdampfens oder Verdunstens auftretenden Wasser­ verluste wieder ersetzt werden;
• c) zur Ableitung von Wasserdampf, Kühlgas und Reaktions­ gasen aus dem Auffangbecken (6) an die Umgebung bzw. in das Reaktorschutzgebäude (3) ist eine Rohrleitung (10) vorgesehen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitung von Wasserdampf, Kühlgas und Reaktionsgasen aus dem Auffangbecken (6) über ein Filtersystem (13) zur Zurückhaltung von Spaltprodukten erfolgt, das zwischen dem Auffangbecken (6) und der Rohrleitung (10) angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrleitung (10) mit einer bei einem vorgegebenen Druck öffnenden Sicherheitseinrichtung (11) versehen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Auffangbecken neutronenabsorbierendes Material vorgesehen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das neutronenabsorbierende Material dem Wasser beigemischt ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Auffangbecken (6) aus einem einzigen Behälter be­ steht.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Auffangbecken bei einem Hochtemperaturreaktor mit mehreren Kugelabzugsrohren aus einer Anzahl von Behältern besteht, wobei jedem Kugelabzugsrohr ein Behälter zugeord­ net ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser eine Temperatur von weniger als 100°C auf­ weist.

9. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle Auffangbecken (6) außerhalb des Reaktorschutzge­ bäudes (3) angeordnet und für niedrigen Druck, vorzugs­ weise annähernd Atmosphärendruck, ausgelegt sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle Auffangbecken innerhalb des Reaktorschutzgebäudes angeordnet und für hohen Druck ausgelegt sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslösung der Kernentleerung von Hand erfolgt.

12. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorkern (2) bei Versagen der betriebsmäßigen Abschaltsysteme und/oder Nachwärmeabfuhrsysteme automatisch in das Auffangbecken (6) entleert wird.