DE3604869A1 - Gasgekuehlter kernreaktor mit einer stationaeren schuettung kugelfoermiger betriebselemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen gasgekühlten Kernreaktor mit einem zylindrischen Kern aus einer stationären Schüttung kugelförmi­ ger Betriebselemente (Brennelemente, Absorberelemente, reine Graphitelemente), die allseitig von einem aus Decken-, Seiten- und Bodenreflektor bestehenden Graphitreflektor umschlossen ist, und mit einer Trimm- und Abschalteinrichtung, die aus in verti­ kalen Kanälen des Seitenreflektors verfahrbaren Absorberstäben besteht.

Ein derartiger Kernreaktor wird in der deutschen Patentanmeldung P 35 18 968.1 beschrieben. Er zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise sowie durch eine einfache Ausführung aus, durch die sich niedrige Energieerzeugungskosten erreichen lassen. Die sta­ tionäre Schüttung der Betriebselemente ermöglicht einen Lei­ stungsbetrieb von ca. 10 bis 40 Jahren. Anschließend werden die Betriebselemente sowie auch die Absorberstäbe ausgewechselt. Der Kernreaktor, der eine Leistung von ca. 10 bis 20 MWe erbringt, dient vorzugsweise als Heizreaktor.

Zum sicheren Anfahren von Kernreaktoren müssen Neutronenflüsse bereits im noch abgeschalteten Zustand des Kerns gemessen wer­ den. Dazu sind eine Neutronenquelle und eine Anfahrflußinstru­ mentierung erforderlich. Die Neutronenquelle muß zwei Bedingun­ gen erfüllen:

• - die Neutronenemission der Quelle (Quellstärke) muß so groß sein, daß in den Neutronenflußdetektoren der Anfahrmeßko­ lonne mit gegebener Ansprechwahrscheinlichkeit mindestens 5 Impulse pro Sekunde registriert werden;
• - der Abstand der Quelle vom Detektor muß so groß sein, daß bei einem Multiplikationsfaktor des Reaktors von 0,99 ma­ ximal 5% der in der Anfahrmeßkolonne nachgewiesenen Neu­ tronen direkt aus der Quelle kommen.

Die erste Bedingung garantiert ein statistisch ausreichend ge­ naues Meßsignal; die zweite stellt sicher, daß das Meßsignal im wesentlichen vom Kern und nicht von der Quelle bestimmt wird.

Bei dem bisher gebauten gasgekühlten Kernreaktor mit einer Schüttung kugelförmiger Betriebselemente, dem THTR-300 MWe (ei­ nem sogenannten Kugelhaufenreaktor), sind die Neutronenquellen verfahrbar in Bohrungen des Seitenreflektors angeordnet. Aus der DE-OS 30 47 098 ist z.B. eine Transportvorrichtung für das Einbringen einer Anfahr-Neutronenquelle in den Seitenreflektor eines Hochtemperaturreaktors bekannt. Diese Randlage der Neu­ tronenquellen im kernnahen Bereich des Seitenreflektors ist neutronenphysikalisch ungünstig und erfordert hohe Quellstär­ ken, wenn die beiden obengenannten Bedingungen erfüllt sein sollen.

Der günstigste Ort für eine Neutronenquelle liegt im Zentrum des Kerns. Diese optimale Position ist aber bei dem THTR-300 MWe und weiteren geplanten Kernreaktoren dieser Bauart nicht realisierbar, da die Betriebselemente, die den Kern entweder einmal oder mehrfach durchlaufen, während des Betriebs umge­ wälzt werden. Nur während der Erstbeladung des Kerns, wenn die Betriebselemente noch nicht umgewälzt werden, können proviso­ risch im Kern selbst Neutronenquellen installiert werden. Die Neutronenquellen sind in diesem Fall in einem Stab unterge­ bracht, der - wie die Absorberstäbe zum Abschalten des Kernre­ aktors - direkt in die Schüttung eingefahren wird.

Bei kleinen Kugelhaufenreaktoren mit einem stationären Kern, bei denen keine direkt in die Schüttung einfahrbaren Absorber­ stäbe vorgesehen sind, ist die Anordnung von Neutronenquellen in Bohrungen des Seitenreflektors besonders problematisch, da die Regelung und Abschaltung dieser Reaktoren mit in dem Sei­ tenreflektor verfahrbaren Absorberstäben, sogenannten Reflek­ torstäben, vorgenommen wird und genügend Positionen für die Re­ flektorstäbe zur Verfügung stehen müssen. Von den Reflektorstä­ ben eines derartigen Kleinreaktors wird eine möglichst hohe Wirksamkeit verlangt, um neben der Regelung und Abschaltung auch noch die erforderliche Überschußreaktivität für eine mög­ lichst lange Standzeit des Reaktors binden zu können. Hohe Standzeiten ohne jede Brennstoffzuführung erfordern, daß mög­ lichst viele Reflektorstäbe am Umfang des Reaktorkerns ange­ ordnet werden. Für Neutronenquellen steht daher im kernnahen Bereich des Seitenreflektors kein Platz zur Verfügung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Kernreak­ tor der eingangs beschriebenen Bauart die Anordnung von Neutro­ nenquellen derart vorzunehmen, daß keine für Reflektorstäbe er­ forderlichen Positionen beansprucht werden und gleichzeitig ei­ ne gute neutronenphysikalische Wirkung erzielt wird.

Gemäß der Erfindung ist die Lösung dieser Aufgabe durch die folgenden Merkmale gekennzeichnet:

• a) die stationäre Schüttung enthält mindestens eine Graphit­ kugel, in der neutronenemittierende Substanz angeordnet ist und die während des Betriebes fest an ihrem Platz bleibt;
• b) die Graphitkugeln mit der neutronenemittierenden Substanz (Trägerkugeln) haben den gleichen Durchmesser wie die Be­ triebselemente;
• c) die Eingabe der Graphitkugeln mit neutronenemittierender Substanz in den Kern sowie ihre Entnahme aus dem Kern er­ folgt zusammen mit den Betriebselementen.

Gegenüber der bei Kugelhaufenreaktoren größerer Leistung übli­ chen Anordnung der Neutronenquellen weist die hier vorgeschla­ gene Lösung eine Reihe von Vorteilen auf, die im folgenden auf­ geführt werden:

• - Die zur Sicherstellung der beiden obengenannten Bedingun­ gen erforderlichen Quellstärken können durch die optimale Lage der Neutronenquellen im Kern geringer sein. Bei di­ rekt im Kern angeordneten Neutronenquellen bleiben prak­ tisch alle Quellneutronen im Kern; bei im Seitenreflektor befindlichen Neutronenquellen gelangt nur etwa die Hälfte der Quellneutronen in den Kern. Dazu kommt, daß das Zen­ trum des Kerns eine wesentlich höhere neutronenphysikali­ sche Importance aufweist als der Kernrand. Daher ist es möglich, ohne Verlust an Meßgenauigkeit für die Neutronen­ flußmessung beim Anfahren schwächere (und damit auch bil­ ligere) Neutronenquellen einzusetzen.
• - Am Ort der Anfahrneutronendetektoren ergibt sich ein gün­ stigeres Verhältnis von Neutronen aus dem Kern zu Neutro­ nen direkt aus der Quelle, d.h. der Anteil der direkt aus der Quelle stammenden Neutronen ist geringer. Bei im Sei­ tenreflektor angebrachten Neutronenquellen können aus der Quelle austretende Neutronen die Detektoren erreichen, oh­ ne daß sie den Kern durchquert haben. Bei im Kern angeord­ neten Neutronenquellen ist dies nicht möglich, wodurch die Wahrscheinlichkeit der erwünschten Multiplikation der Quellneutronen im Kern durch Spaltung deutlich erhöht wird. Damit wird die zweite der obengenannten Bedingungen für viele Orte praktisch automatisch erfüllt. Dies bedeutet ei­ ne wesentlich größere Freiheit bei der Wahl der Anordnung der Anfahrinstrumentierung.
• - Der Seitenreflektor wird nicht mit Neutronenquellen belegt, so daß eine maximale Anzahl von Reflektorstäben optimal an­ geordnet werden kann. Dadurch läßt sich eine höhere Ab­ schaltwirksamkeit der Reflektorstäbe erreichen, die wieder­ um längere Standzeiten von Reaktorkernen ermöglicht.
• - Der Seitenreflektor kann einfacher gestaltet werden, da Bohrungen und Halterungen für Neutronenquellen im Seitenre­ flektor entfallen. Dies wirkt sich auch günstig auf die Ko­ sten aus.
• - Antriebe zum Bewegen der Neutronenquellen sind nicht erfor­ derlich. Das Fehlen von Antriebs- und Halterungsvorrichtun­ gen trägt auch dazu bei, daß ein Ausbau des den Reaktorkern und den Graphitreflektor umschließenden Reaktordruckbehäl­ ters sich einfacher und billiger durchführen läßt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprü­ chen sowie der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen zu entnehmen. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Kernreaktor gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine als Träger für eine Neutronenquelle dienen­ de Graphitkugel.

Die Fig. 1 läßt einen unterirdisch angeordneten zylindrischen Druckbehälter 1, beispielsweise aus Stahlbeton, erkennen, der eine Kaverne 2 umschließt. Er besitzt eine abnehmbare Decke 3. In der Kaverne 2 ist ein Kernreaktor 4 untergebracht, dessen Kern aus einer stationären Schüttung 5 kugelförmiger Betriebs­ elemente 6 besteht. Die Leistungsdichte im Kern beträgt ca. 4 bis 6 MW/m³ und ermöglicht eine Gesamtleistung von 10 bis 20 MWe. Die Schüttung 5 ist allseitig von einem Graphitreflektor 7 umgeben, der einen Deckenreflektor 8, einen Seitenreflektor 9 und einen Bodenreflektor 10 umfaßt.

Der Deckenreflektor 8 liegt direkt auf der Schüttung 5 auf. Zwi­ schen ihm und der Decke 3 befindet sich ein freier Raum 11. Ein weiterer freier Raum 12 ist zwischen dem Bodenreflektor 10 und dem Druckbehälterboden vorgesehen; in diesem Raum ist eine me­ tallische Abstützeinrichtung 13 angeordnet, über die sich der Kernreaktor 4 auf dem Druckbehälterboden abstützt.

Die Schüttung 5 wird von oben nach unten von einem Kühlgas, vor­ zugsweise Helium, durchströmt, das mittels eines Gebläses 14 um­ gewälzt wird. Das Laufrad des Gebläses befindet sich in dem freien Raum 11; sein Antriebsmotor 15 ist in einer zentralen Durchdringung 16 der Decke 3 installiert. Die Durchdringung ist außen mit einem Verschlußteil 17 versehen.

Die Schüttung 5 ist seitlich und unten von einem Kernbehälter 18 aus Stahl umschlossen, der auch einen Teil des Seitenreflektors 9 und des Bodenreflektors 10 sowie den gesamten Deckenreflektor 8 aufnimmt. Seiten- und Bodenreflektor sind also in einen inne­ ren und einen äußeren Reflektorteil unterteilt. In dem inneren Teil des Seitenreflektors 9 sind senkrechte Kanäle 19 vorgese­ hen, in denen Absorberstäbe 20 für Trimm- und Abschaltzwecke verfahrbar angeordnet sind. Die Antriebseinrichtungen 21 für die Absorberstäbe 20 sind in Durchdringungen 22 der Decke 3 instal­ liert.

In dem freien Raum 11 ist ein Gasführungsmantel 23 vorgesehen, der Saug- und Druckseite des Gebläses 14 trennt. Er ist an dem oberen Ende des Kernbehälters 18 angeschlossen. Das Gebläse 14 saugt das Kühlgas aus dem freien Raum 11 an und fördert es in die Schüttung 5. Das aufgeheizte Kühlgas tritt durch Öffnungen in dem Kernbehälter 18 sowie in dem Bodenreflektor 10 in den freien Raum 12 ein, in dem es sich verteilt und einem Ringraum 24 zugeführt wird. Von hier gelangt es wieder in den Raum 11.

Auf der gesamten Innenfläche des Druckbehälters 1 ist ein Kühl­ system 25 angebracht, das aus von Kühlwasser durchströmten Roh­ ren besteht und so ausgelegt ist, daß die in der Schüttung 5 er­ zeugte Wärme beim Leistungsbetrieb wie auch beim Nachwärmeabfuhr­ betrieb sicher abgeführt werden kann. Um den Einbruch von Wasser in den Primärkreis zu verhindern, ist in der Kaverne 2 vor dem Kühlsystem 25 ein gasdichter Mantel 26 angeordnet, der den Ring­ raum 24 auf dessen Außenseite begrenzt.

Der Kernbehälter 18 läßt sich mitsamt den inneren Teilen von Seiten- und Bodenreflektor 9, 10, dem Deckenreflektor 8, den Be­ triebselementen 6 und den Absorberstäben 20 nach Entfernen der Decke 3 nach oben ausbauen. Ein solcher Ausbau wird dann vorge­ nommen, wenn die Brennelemente hinreichend abgebrannt sind.

Zum sicheren Anfahren des Kernreaktors 4 ist der Kernreaktor mit mindestens einer Neutronenquelle sowie der notwendigen An­ fahrinstrumentierung ausgestattet (letztere ist nicht darge­ stellt). Die Neutronenquellen sind innerhalb der stationären Schüttung 5 der Betriebselemente 6 untergebracht, und zwar be­ stehen sie jeweils aus einer Graphitkugel 27 als Trägerkugel, in der mindestens eine neutronenemittierende Substanz ange­ ordnet ist. Die Graphitkugeln 27 haben den gleichen Durchmes­ ser wie die Betriebselemente 6. Sie werden bei der Beschic­ kung des Kernreaktors 4 mit den Betriebselementen 6 in den Kern eingegeben und verbleiben während des Reaktorbetriebs fest an ihrem Platz. Am Ende der Standzeit der Schüttung 5 werden die Graphitkugeln 27 mit den Betriebselementen 6 zu­ sammen dem Kernreaktor 4 wieder entnommen.

Bei dem hier dargestellten Beispiel sind vier Graphitkugeln 27 von geringerer Quellstärke über die Schüttung 5 verteilt. Es kann auch nur eine einzige Trägerkugel vorgesehen sein; diese wird dann zweckmäßigerweise im Zentrum des Kerns posi­ tioniert.

In der Fig. 2 ist eine als Trägerkugel dienende Graphitkugel 27 in stark vergrößertem Maßstab dargestellt. Die Graphitku­ gel 27 weist in ihrem Zentrum einen zylinderartigen Hohlraum 29 auf, der mit einem Gewindestopfen 30 aus Graphit ver­ schlossen ist. In dem Hohlraum 29 sind zwei neutronenemittie­ rende Substanzen 28 angeordnet, von denen die eine - 31 - für den Erstkern und die andere - 32 - für den Reaktorbetrieb vor­ gesehen ist. Es ist auch möglich, die Substanz für den Erst­ kern und diejenige für den Reaktorbetrieb in verschiedenen Trägerkugeln unterzubringen. Für den erstgenannten Zweck kann beispielsweise das Isotop Cf 252 eingesetzt werden; für den Betrieb kann eine im Neutronenfluß aktivierbare Sb/Be-Quelle verwendet werden.

Als Alternative zu der in der Fig. 2 gezeigten Neutronenquel­ le, bei der die neutronenemittierende Substanz 28 in der Form eines kompakten Zylinders vorliegt, kann die neutronenemittie­ rende Substanz auch im Graphit der Trägerkugel fein verteilt sein.

Claims (7)

1. Gasgekühlter Kernreaktor mit einem zylindrischen Kern aus einer stationären Schüttung kugelförmiger Betriebselemente (Brennelemente, Absorberelemente, reine Graphitelemente), die allseitig von einem aus Decken-, Seiten- und Bodenre­ flektor bestehenden Graphitreflektor umschlossen ist, und mit einer Trimm- und Abschalteinrichtung, die aus in ver­ tikalen Kanälen des Seitenreflektors verfahrbaren Absorber­ stäben besteht, gekennzeichnet durch die folgenden Merkma­ le:

• a) die stationäre Schüttung (5) enthält mindestens eine Graphitkugel (27), in der neutronenemittierende Sub­ stanz (28) angeordnet ist und die während des Be­ triebs an ihrem Platz bleibt;
• b) die Graphitkugeln (27) mit der neutronenemittierenden Substanz (28) (Trägerkugeln) haben den gleichen Durch­ messer wie die Betriebselemente (6);
• c) die Eingabe der Graphitkugeln (27) mit neutronenemit­ tierender Substanz (28) in den Kern sowie ihre Entnah­ me aus dem Kern erfolgt zusammen mit den Betriebsele­ menten (6).

2. Gasgekühlter Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nur eine, im Zentrum des Kerns angeordnete Graphitkugel mit neutronenemittierender Substanz vorgese­ hen ist.

3. Gasgekühlter Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere, über das Kernvolumen verteilte Gra­ phitkugeln (27) mit neutronenemittierender Substanz (28) von geringerer Quellstärke vorhanden sind.

4. Gasgekühlter Kernreaktor nach Anspruch 1, 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die neutronenemittierende Sub­ stanz (28) in den Graphitkugeln (27) in einem zentralen Hohlraum (29) untergebracht ist, der mit einem Gewinde­ stopfen (30) aus Graphit verschlossen ist.

5. Gasgekühlter Kernreaktor nach Anspruch 1, 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die neutronenemittierende Sub­ stanz in dem Graphit der Trägerkugel(n) verteilt ist.

6. Gasgekühlter Kernreaktor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als neutronenemittierende Substanz (28) eine Neutronenquelle (31) für den Erstkern und eine im Neutronenfluß aktivierbare Neutronenquelle (32) für den Betrieb zusammen in einer oder in mehreren Trägerkugel(n) (27) vorgesehen sind.

7. Gasgekühlter Kernreaktor nach den Ansprüchen 3 und 4 oder 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß als neutronenemittie­ rende Substanz eine Neutronenquelle für den Erstkern und eine im Neutronenfluß aktivierbare Neutronenquelle für den Betrieb vorgesehen sind, die in verschiedenen Trägerkugeln untergebracht sind.