DE3335269A1

DE3335269A1 - Hochtemperaturreaktor mit einem aus kugelfoermigen brennelementen aufgeschuetteten kern und verfahren zum abschalten des hochtemperaturreaktors

Info

Publication number: DE3335269A1
Application number: DE19833335269
Authority: DE
Inventors: Winfried Ing.(grad.) 6940 Gorxheimer Tal Wachholz; Ulrich Dipl.-Ing. 6940 Weinheim Weicht
Original assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Current assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Priority date: 1983-09-29
Filing date: 1983-09-29
Publication date: 1985-04-18
Also published as: US4713211A; DE3335269C2; JPS6073497A

Description

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HOCHTEMPERATUR-REAKTORBAU GMBH 3335269

Köln ---J

Int. Nr. 8214 : "*' ' ...-^J ^ύ Mannheim, den 31.08.83

Hochtemperaturreaktor mit einem aus kugelförmigen Brennelementen aufgeschütteten Kern und Verfahren zum Abschalten des Hochtemperaturreaktors

Die Erfindung betrifft einen Hochtemperaturreaktor mit einem aus kugelförmigen Brennelementen aufgeschütteten Kern, mit einem den Kern allseitig umgebenden Reflektor, mit Einrichtungen zur Nachwärmeabfuhr und mit zwei diversitären Einrichtungen zum Abschalten, bestehend aus in den Kern einfahrbaren Absorberstäben (Kernstäben) für die LangZeitabschaltung und in öffnungen des seitlichen Reflektors verfahrbaren Absorberstäben (Reflektorstäben) für die Schnellabschaltung. Außerdem ist ein Verfahren zum Abschalten des Hochtemperaturreaktors mit den Merkmalen der Erfindung angegeben.

Allgemein sind Hochtemperaturreaktoren mit kugelförmigen Brennelementen mit einem Abschalt- und Regelsystem ausgerüstet, das aus einer größeren Anzahl von Kernstäben und/oder Reflektorstäben besteht und mit dem alle Betriebs- und Störfälle am Reaktor sicher beherrscht werden. Welche Absorberstabgruppen für die verschiedenen Abschaltfunktionen (Schnellabschaltung, LangZeitabschaltung) zum Einsatz kommen, hängt dabei wesentlich von der Leistungsgröße des betreffenden Hochtemperaturreaktors ab.

So werden bei dem THTR-300-MW ,-Prototyp alle Abschaltvorgänge mit den Kernstäben durchgeführt, und die Reflektorstäbe sind für Regelvorgänge vorgesehen. Um den hohen Sicherheitsanforderungen zu genügen, ist noch ein Notabschaltsystern vorhanden, das nur dann eingesetzt wird, wenn die Kernstäbe nicht funktionsfähig sein sollten (beispielsweise durch Einwirkungen von außen wie Flugzeugabsturz). Dieses Notabschaltsystem umfaßt das Einspeisen von neutronenabsorbierendem Gas oder kleinen Absorberkugeln in den Reaktorkern.

Aus der DT-OS 31 41 734 ist ein Hochtemperaturreaktor für einen mittleren Leistungsbereich (300 bis 500 MW ,) bekannt, der ebenfalls ein von Kernstäben gebildetes (erstes) Abschaltsystem und ein aus kleinen Absorberkugeln bestehendes Notabschaltsystem (zweites Abschaltsystem) aufweist, wobei auch hier das zweite Abschaltsystem nur bei Ausfall des ersten Systems e inge s etz t wi rd.

Ein weiterer Hochtemperaturreaktor dieses Leistungsbereichs ist in der Patentanmeldung P 32 12 322.1 beschrieben. Auch hier sind ein aus Absorberstäben bestehendes erstes Abschaltsystem und ein zweites Abschaltsystem aus kleinen Absorberkugeln vorgesehen, das bei Versagen des ersten Abschaltsystems zum Einsatz kommt. Bei diesem Reaktor umfaßt das erste Abschaltsystern jedoch neben Kernstäben noch eine Anzahl von Reflektorstäben.

Bei Hochtemperaturreaktoren mit kleiner Leistungsgröße (100 bis 200 MW ,) sind zur Abschaltung des Kerns nur Reflektorstäbe erforderlich, die somi€ das erste Abschaltsystern bilden. Ein solcher HT-Kleinreaktor ist in der Patentanmeldung P 32 12 264.0 dargestellt. Die Reflektorstäbe, die von unten in Bohrungen des seitlichen Reflektors eingefahren werden, übernehmen die Schnell- und die Langzeitabschaltung. Ein zweites Abschalt-

system, das auch hier aus kleinen Absorberkugeln besteht, tritt nur bei Ausfall des ersten Systems in Tätigkeit und schaltet den Reaktor langfristig ab.

Allen beschriebenen Hochtempraturreaktoren ist gemeinsam, daß bei Versagen des ersten Abschaltsystems eine Maßnahme in Kraft gesetzt wird, die mit Nachteilen behaftet ist, denn das Einspeisen von Absorbermitteln in den Reaktorkern führt zu längeren Stillstandszeiten, da die Wiederentfernung der Absorbermittel sehr aufwendig ist. Außerdem müssen zu den Absorberstäben noch zusätzliche Absorbermaterialien bereitgestellt werden.

Bei einem weiteren Hochtemperaturreaktor, der aus der DT-OS 24 51 748 bekannt ist, wird auf das Einbringen von Absorbermaterialien in Form eines Gases oder kleiner Kugeln verzichtet. Dieser Reaktor besitzt zwei diversitäre Abschalteinrichtungen, von denen die eine von Kernstäben gebildet wird und die Langzeitabschaltung übernimmt und die andere eine vorbestimmte Anzahl von Reflektorstäben umfaßt, mit denen die Schnellabschaltung durchgeführt wird. Bei Ausfall der Reflektorstäbe erfolgt eine LangZeitabschaltung mit den Kernstäben. Die Abschaltreaktivität der für die Schnellabschaltung bestimmten Reflektorstäbe ist so festgelegt, daß der Reaktor aus allen Störfallsituationen heraus für mindestens 30 Minuten unterkritisch gehalten werden kann. Hierbei ist berücksichtigt, daß der Reaktorkern infolge der Wärmeabfuhr durch die Hauptkühl systeme oder die Nachwärmeabfuhreinrichtungen mehr oder weniger stark ausgekühlt wird (im Extremfall bis auf die Kaltgastemperatur); d. h. im Hinblick auf den negativen Temperaturkoeffizienten der Hochtemperaturreaktoren ergibt sich insgesamt ein sehr hoher Bedarf an Abchaltreaktivität. Zudem ist das Wiederaufheizen des Kerns nach seinem Herunterkühlen mit einem erheblichen

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Zeitverlust beim Wiederanfahren des Kerns auf die volle Leistung verbunden, und die Kerneinbauten sind durch den Temperaturwechsel hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Auch ist das hier vorgeschlagene Abschaltkonzept nur bei Hochtemperaturreaktoren mit einem Leistungsbereich bis zu 300 MW , verwendbar.

Von diesem Stand der Technik ausgehend/ liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Hochtemperaturreaktor der eingangs beschriebenen Bauart mit einem mittleren Leistungsbereich von 300 bis 500 MW , zu schaffen, bei dem eine Schnellabschaltung allein mit Reflektorstäben durchführbar ist, ohne daß es nach der Schnellabschaltung zu einer starken Kernauskühlung kommt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Gesamtabschaltreaktivität aller Reflektorstäbe so bemessen ist, daß der Reaktorkern bei allen Störfällen einschließlich Reaktivitätsstörfällen und aus allen Betriebszuständen heraus sofort unterkritisch gemacht werden kann und daß er bei Vorliegen eines Reaktivitätsstörfalls in Kombination mit einem ungünstigen Betriebszustand nach Wärmeabfuhr auf erniedrigtem Temperatur- und Leistungsniveau wieder in den kritischen Zustand übergeht.

Der Hochtemperaturreaktor gemäß der Erfindung kann also allein mit den Reflektorstäben in einen sicheren Anlagenzustand überführt werden, selbst wenn ein Reaktivitätsstörfall (Reaktivitätszufuhr durch Wassereinbruch) vorliegt. Durch die sich an die Schnellabschaltung anschließende Nachwärmeabfuhr über die Hauptkühl systeme oder die Nachwärmeabfuhreinrichtungen sinkt die Kerntemperatur auf einen vorbestimmten Wert, wobei durch die Temperatur-Rückkopplung (negativer Temperaturkoeffizient) erneut Reaktivität freigesetzt und der Reaktor auf diesem er-

niedrigten Temperaturniveau (ca. 500 ⁰C) wieder kritisch wird. Dabei kommt es zu einer längeren Stabilisierung des Reaktors auf einem niedrigeren Leistungsniveau, dessen Höhe von der aus dem Kern abgeführten Wärme bestimmt wird. Dieser Reaktorzustand und die aus ihm resultierende Temperaturbelastung der entsprechend auszulegenden Nachwärmeabfuhrexnrichtungen sind für einen beliebigen Zeitraum zulässig, da die vorgegebenen Grenzwerte nicht überschritten werden und eine Gefährdung der Umgebung somit ausgeschlossen ist.

Das vorgeschlagene Abschaltkonzept ist durchführbar aufgrund der systemimmaneten Eigenschaften eines Hochtemperaturreaktors, dessen Kern eine hohe Wärmekapazität und Temperaturbeständigkeit aufweist und ein träges Temperatur-Zeit-Verhalten zeigt (langsame Temperaturänderungen bei Störung von Wärmeproduktion/Wärmeabfuhr) .

Von Vorteil ist bei dem vorgeschlagenen Hochtemperaturreaktor, daß gegenüber dem Stand der Technik eine geringere Anzahl von Reflektorstäben ausreicht, um die Anforderungen an die Schnellabschaltung zu erfüllen, so daß insgesamt Anlagenkosten gespart werden. Darüber hinaus wird durch das Warmhalten des Kerns und der Dampferzeuger eine schnelle Wiederinbetriebnahme des Reaktors (Heißstart) nach Beseitigung der Störfallursache ermöglicht. Weiterhin von Vorteil ist, daß die Temperaturbelastung der Kerneinbauten und Kreislaufkomponenten infolge rasch wechselnder Temperaturen erheblich herabgesetzt ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird bei dem beschriebenen Hochtemperaturreaktor ein.Abschaltverfahren angewandt, demgemäß nur bei Reaktivitätsstörfällen die Schnei!abschaltung mit allen Reflektorstäben vorgenommen wird, während bei betrieblichen· Abschaltungen und anderen Störfällen nur eine

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Teilmenge der Reflektorstäbe, vorzugsweise ein Drittel bis die Hälfte, zum Einsatz kommt.

Mit diesem Verfahren können auch bei einer Schnellabschaltung aus dem Normalbetrieb und ohne vorangegangenen Störfall die Temperaturen im betriebsnahen Bereich gehalten werden. Bei Einfall aller Reflektorstäbe würde dies infolge der hieraus resultierenden starken ünterkritikalität des Reaktorkerns nicht der Fall sein, da die Abschaltreaktivität der Reflektorstäbe erfindungsgemäß so bemessen ist, daß sie im ungünstigsten Betriebszustand (d. h. nach einem Kaltstart) noch die maximale Störfallreaktivität eines Wassereinbruchs abdeckt.

Nach einer Schnellabschaltung kann der Reaktorkern, nachdem er auf einem niedrigeren Temperatur- und Leistungsniveau wieder kritisch geworden ist, entweder, nach behobener Störung, wieder auf volle Leistung gefahren werden, oder es wird - falls die Ursache für die Schnei!abschaltung nicht rechtzeitig beseitigt werden konnte - eine LangZeitabschaltung mit Hilfe der Kernstäbe durchgeführt. Hierfür werden die Kernstäbe auf volle Tiefe eingefahren. Der Einsatz der Kernstäbe wird erst nach ca. 10 Stunden erforderlich, so daß der für Gegenmaßnahmen zur Verfügung stehende Zeitraum relativ groß ist.

Anhand eines Beispiels wird die Erfindung nachstehend erläutert. Betrachtet wird ein Hochtemperaturreaktor mit einer Leistung von 500 MW , , der mit kugelförmigen Brennelementen im Einmaldurchlauf betrieben wird, so daß sich eine axiale Neutronenflußdichteverteilung einstellt, die im oberen Kerndrittel ein Maximum hat und danach etwa exponentiell abfällt. Der Kernreaktor besitzt zwei diversitäre Abschalteinrichtungen:

Kernstäbe für die Langzeitabschaltung und Reflektorstäbe für die Schneilabschaltung. Die im Kern erzeugte Wärme wird durch mehrere Hauptkühlsysteme abgeführt. Bei einem Störfall mit Ausfall der Hauptkühlsysteme wird die Nachwärme durch mehrere Hilfskühlsysteme abgeführt.

Die Gesamtabschaltreaktivität der Reflektorstäbe ist so bemessen, daß der Reaktor bei allen Störfällen und aus allen Betriebszuständen heraus unterkritisch gemacht und bis zur Erreichung eines deutlich unterhalb der Normalbetriebswerte liegenden Temperaturniveaus im unterkritischen Zustand gehalten werden kann.

Die Reaktivitätsabschätzungen für einen Hochtemperaturreaktor mit 500 MW , Leistung ergeben für die einzelnen Anlagenzustände folgende Wirksamkeit aller Reflektorstäbe (abzüglich Ausfall des wirksamsten Stabes) :

Normalbetrieb (100 % Vollast) 2,6 Kaltstart 2,1 % 4 K/K

Lastwechsel 2,3 - 3,1 %^K/K

Die maximale Störfallreaktivität (Wassereinbruch) beträgt ca. 1,1 % Λ K/K, so daß - je nach Ausgangssituation - durch Einfallen der Reflektorstäbe nach einem Reaktivitätsstörfall eine ünterkritikalität von 1,0 bis 2,0 % £ K/K erzielt wird. Ohne diesen Störfall werden rund 2 bis 3 % A K/K ünterkritikalität erreicht; in solchen Fällen (betriebliche Abschaltungen, Störfälle ohne Reaktivitätszuwachs) kann also eine Reduzierung der für die Schnei!abschaltung eingesetzten Stabanzahl vorgenommen werden. Daher sieht das vorgeschlagene Abschaltverfahren vor, daß nur bei Reaktivitätsstörfällen alle Reflektorstäbe eingefahren werden.

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Nach erfolgter Schnellabschaltung und Abfuhr der Nachwärme mit den Haupt- oder den Hilfskühlsystemen wird der Reaktor - je nach eingebrachter Abschaltreaktivität und vorangegangenem Betriebszustand - auf abgesenktem Temperaturniveau und bei geringer Leistung wieder kritisch. Dieser Zustand ist für die Anlage für einen beliebigen Zeitraum zulässig. Durch den einsetzenden Jod-Zerfall und den damit verbundenen Xenon-Aufbau oder durch Einfahren von Kernstäben wird der Reaktor langfristig kaltunterkritisch gefahren, wenn die Voraussetzungen für eine schnelle Wiederinbetriebnahme nicht gegeben sind.

Claims

Patentansprüche:

l.J Hochtemperaturreaktor mit einem aus kugelförmigen Brennelementen aufgeschütteten Kern, mit einem den Kern allseitig umgebenden Reflektor, mit Einrichtungen zur Nachwärmeabfuhr und mit zwei diversitären Einrichtungen zum Abschalten, bestehend aus in den Kern einfahrbaren Absorberstäben (Kernstäben) für die Langzeitabschaltung und in öffnungen des seitlichen Reflektors verfahrbaren Absorberstäben (Reflektorstäben) für die Schnellabschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtabschaltreaktivität aller Reflektorstäbe so bemessen ist, daß der Reaktorkern bei allen Störfällen einschließlich Reaktivitätsstörfällen und aus allen Betriebszuständen heraus sofort unterkritisch gemacht werden kann und daß er bei Vorliegen eines Reaktivitätsstörfalls in Kombination mit einem ungünstigen Betriebszustand nach Wärmeabfuhr auf erniedrigtem Temperatur- und Leistungsniveau wieder in den kritischen Zustand übergeht.
2. Verfahren zum Abschalten des Hochtemperaturreaktors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur bei Reaktivitätsstörfällen die Schnellabschaltung mit allen Reflektorstäben erfolgt, während bei betrieblichen Abschaltungen und anderen Störfällen nur eine Teilmenge der Reflektorstäbe, vorzugsweise ein Drittel bis die Hälfte, für die Schnellabschaltung eingesetzt wird.

Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Reaktorkern nach erfolgter Schnellabschaltung und Wiederkritischwerden auf niedrigerem Temperatur- und Leistungsniveau entweder nach behobener Störung wieder auf volle Leistung gefahren wird oder daß bei weiterbestehender Störung mit Hilfe der Kernstäbe eine Langzeitabschaltung durchgeführt wird.