DE3641504A1

DE3641504A1 - Low-output nuclear reactor located in the cavern of a pressure vessel

Info

Publication number: DE3641504A1
Application number: DE19863641504
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl Ing Schmitt; Josef Dipl Ing Dr Schoening
Original assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Current assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Priority date: 1986-12-04
Filing date: 1986-12-04
Publication date: 1988-06-16

Abstract

The invention concerns a nuclear reactor with spherical fuel elements and low output, that is particularly suitable for generating thermal energy for heating purposes. It has a helium primary loop and a water secondary loop, which includes cooling tubes located on the inner surface of the reactor pressure vessel. The fuel elements form a stationary bed; i.e. there is no stirring or reloading. In order to prevent reactivity increasing in case of ingress of water into the core, without additional internals or active measures, it is proposed to add boron (atomic or as a compound) to the water of the secondary loop. The percentage of boron in the water can be much less than one percent.

Description

Die Erfindung betrifft einen in der Kaverne eines Druckbehäl ters angeordneten Kernreaktor niedriger Leistung mit einer sta tionären Schüttung kugelförmiger Brennelemente, die allseitig von einem Graphitreflektor umgeben ist, mit einem mit Helium betriebenen Primärkreislauf zur Wärmeabfuhr aus der Brennele ment-Schüttung sowie mit einem mit Wasser betriebenen Sekundär kreislauf zur Wärmeabfuhr aus dem Druckbehälter, der an der ge samten Innenoberfläche des Druckbehälters vorgesehene Kühlrohre umfaßt.The invention relates to a in the cavern of a pressure vessel ters arranged nuclear reactor low power with a sta tional bed of spherical fuel elements, the all-round is surrounded by a graphite reflector, with one with helium operated primary circuit for heat dissipation from the fuel ment fill as well as with a secondary operated with water Circuit for heat dissipation from the pressure vessel connected to the ge Entire inner surface of the pressure vessel provided cooling tubes includes.

Ein derartiger Kernreaktor wird in den Patentanmeldungen P 35 18 968.1 und P 35 34 422.9 beschrieben. Er ist für eine Leistungsgröße von ca. 10 bis 20 MW konzipiert und kann infolge des weitgehenden Verzichts auf aktive Betriebseinrichtungen wie Beschickungsanlage, Gasreinigungsanlage und Regelsysteme in we nig industrialisierten Gebieten eingesetzt werden, vorzugsweise zur Erzeugung von Wärme für Heizzwecke. Der Kern des Reaktors wird von einer stationären Schüttung kugelförmiger Brennelemen te gebildet, die einen Leistungsbetrieb von ca. 10 bis 40 Jah ren ermöglicht. Ein Nachladen oder Umwälzen der Brennelemente findet also nicht statt, so daß der gesamte Spaltstoff bereits bei Aufnahme des Reaktorbetriebes vorhanden sein muß. Das durch die Rohre des Sekundärkreislaufs strömende Wasser ist in der Lage, die gesamte in den Brennelementen produzierte und an das Helium des Primärkreislaufs abgegebene Wärme aus dem Kernreak tor abzuführen.Such a nuclear reactor is described in the patent applications P 35 18 968.1 and P 35 34 422.9. He is for one Output size of approx. 10 to 20 MW designed and can result the extensive elimination of active operating facilities such as Feeding system, gas cleaning system and control systems in we little industrialized areas are used, preferably for the generation of heat for heating purposes. The core of the reactor is from a stationary bed of spherical fuel elements te formed, the power operation of about 10 to 40 years ren enables. Reloading or circulating the fuel elements So does not take place, so that the entire fissile material already must be present when the reactor operation starts. That through the pipes of the secondary circuit flowing water is in the Location, the whole produced in the fuel assemblies and to the Helium of the primary circuit emitted heat from the nuclear freak lead away.

Bei dem in der Patentanmeldung P 35 18 968.1 dargestellten Kern reaktor ist in der Reaktorkaverne vor den Kühlrohren des Sekun därkreislaufs ein gasdichter Mantel angeordnet, der die Kühlroh re vollständig von dem Primärkreislauf trennt. Sollten infolge eines Störfalls Wasserleckagen aus dem Sekundärkreislauf austre ten, so können diese nicht in den Primärkreislauf gelangen. Da her sind Anforderungen, die ein schnelles Reaktorschutzsystem zur Beherrschung von Reaktivitätsstörungen notwendig machen wür den, bei diesem Reaktortyp nicht gegeben.In the core shown in patent application P 35 18 968.1 reactor is in the reactor cavern in front of the cooling tubes of the sekun a gas-tight jacket arranged the cooling circuit re completely separates from the primary circuit. Should result in the event of an accident, leak water from the secondary circuit ten, they can not get into the primary circuit. There Here are the requirements for a fast reactor protection system necessary to control reactivity disorders that is not given for this type of reactor.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kernreaktor mit den Merkmalen des Oberbegriffs so auszugestalten, daß ein Reaktivitätsanstieg infolge eines Wassereinbruchs in den Reak torkern sicher verhindert wird, ohne daß aktive Maßnahmen zur Störfallbeherrschung ergriffen werden oder besondere Einbauten innerhalb des Druckbehälters vorgesehen sind.The object of the present invention is a nuclear reactor with the features of the generic term so that a Increase in reactivity due to water ingress into the reak gate core is reliably prevented without active measures for Major accident control or special installations are provided within the pressure vessel.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß dem Wasser des Sekundärkreislaufs Bor atomar oder als Verbindung zugesetzt ist.The solution to this problem is characterized in that the Water of the secondary circuit boron atomic or as a compound is clogged.

Bekannt ist es, bei Kernreaktoren mit flüssigem Kühlmittel zum Abschalten bzw. Regeln neutronenabsorbierende Flüssigkeiten zu verwenden, die dem den Reaktorkern durchsetzenden primären Kühl mittel beigegeben werden. Derartige Kernreaktoren werden in der DE-OS 19 40 403 und der DE-OS 20 64 321 beschrieben. In der letztgenannten Druckschrift, die einen Leichtwasser-Reaktor be trifft, wird die Regelung durch chemische Trimmung mit Borsäure vorgenommen.It is known to use in nuclear reactors with liquid coolant Switch off or regulate neutron absorbing liquids use the primary cooling penetrating the reactor core medium can be added. Such nuclear reactors are in the DE-OS 19 40 403 and DE-OS 20 64 321 described. In the last-mentioned document, which be a light water reactor the regulation is achieved by chemical trimming with boric acid performed.

Auch bei gasgekühlten Kernreaktoren ist ein Verfahren zur Reak torregelung bekannt, bei den dem Kühlmittel neutronenabsorbie rende Substanzen zugesetzt werden. So wird in der DE-AS 10 54 186 vorgeschlagen, dem Kühlmittel des Primärkreises gasförmige neutronenabsorbierende Stoffe in regelbarer Menge beizumischen, z.B. das Isotop Bor 10 in einer gasförmigen Verbindung wie Bor trifluorid.A process for reak is also used in gas-cooled nuclear reactors gate control known, in the case of the coolant neutron absorption substances are added. In DE-AS 10 54 186 proposed the gaseous coolant of the primary circuit admix neutron absorbing substances in a controllable amount, e.g. the isotope boron 10 in a gaseous compound such as boron trifluoride.

Bei den genannten Kernreaktoren wird die neutronenabsorbierende Substanz in den Primärkreislauf eingespeist, und es liegt auch eine andere Aufgabenstellung vor.In the nuclear reactors mentioned, the neutron absorbing Substance is fed into the primary circuit, and it is too another task.

Bei dem erfindungsgemäßen Kernreaktor ist die im Sekundärkreis umlaufende Flüssigkeit boriert, wodurch bewirkt wird, daß es bei Versagen von Bauelementen des sekundären Wärmeabfuhrsystems auch ohne weitere Maßnahmen nicht zu Reaktivitätsstörfällen kommen kann bzw. diese sicher beherrscht werden. Trotz erhöhter Moderation im Kern infolge eines Wassereinbruchs wird durch die Neutronenabsorption durch das Bor ein Reaktivitätsanstieg ver hindert, und zwar auf eine sehr einfache und wirtschaftliche Weise. Die Beherrschung des Störfalls "Wassereinbruch in den Primärkreis" ist bei dem erfindungsgemäßen Reaktor sozusagen systemimmanent. Besondere Werkstoffprobleme treten dabei in dem Sekundärkreislauf nicht auf. Bei einem Wassereinbruch wird zwar durch von dem Bor induzierte Kernreaktionen aus dem Helium Tri tium erzeugt; jedoch ist die entstehende Menge nur gering und beherrschbar. In the nuclear reactor according to the invention, it is in the secondary circuit circulating liquid borates, causing it to failure of components of the secondary heat dissipation system even without further measures not to reactivity accidents can come or they can be mastered safely. Despite increased Moderation at the core as a result of water ingress is caused by the Neutron absorption by the boron increases reactivity prevents a very simple and economical Wise. Mastery of the "water ingress into the Primary circuit "is, so to speak, in the reactor according to the invention inherent in the system. Particular material problems arise in the Secondary circuit does not open. If there is a water ingress by nuclear reactions induced by the boron from the helium tri tium generates; however, the amount produced is small and manageable.

Der Boranteil des Wassers liegt vorzugsweise weit unter einem Prozent. Er wird möglichst konstant gehalten, was sich durch geeignete Meßvorrichtungen und Zugabeeinrichtungen leicht er reichen läßt.The boron content of the water is preferably well below one Percent. He is kept as constant as possible, what is going through suitable measuring devices and adding devices easily he enough.

In der Zeichnung wird der erfindungsgemäße Kernreaktor anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In diesem Ausfüh rungsbeispiel wird die mittels des Sekundärkreislaufs aus dem Kernreaktor abgeführte Wärme für Heizzwecke verwendet. Sie kann auch an einen (außerhalb des Druckbehälters) in dem Sekundär kreislauf liegenden Wärmetauscher, z.B. Dampferzeuger, abgege ben werden; der Sekundärkreislauf ist in diesem Falle also ein Zwischenkreislauf. Ist der Druckbehälter aus Beton und auf sei ner Innenseite mit einem metallischen Liner abgedichtet, so kann das Kühlsystem, mit dem ein solcher Liner üblicherweise ausgerüstet ist, die Aufgabe des sekundären Wärmeabfuhrsystems übernehmen (Patentanmeldung P 36 03 090.2). In allen diesen Fäl len kann das in den Kühlrohren des Sekundärkreislaufs zirkulie rende Wasser boriert sein.The nuclear reactor according to the invention is illustrated in the drawing of an embodiment explained in more detail. In this version Example is the secondary circuit from the Nuclear reactor dissipated heat used for heating purposes. she can also to one (outside the pressure vessel) in the secondary circulating heat exchanger, e.g. Steam generator, dispensed be ben; the secondary circuit is therefore in this case Intermediate circuit. The pressure vessel is made of concrete and is on sealed inside with a metallic liner, see above can the cooling system with which such a liner is usually used is equipped, the task of the secondary heat dissipation system take over (patent application P 36 03 090.2). In all of these cases len can circulate in the cooling pipes of the secondary circuit water must be borated.

Die Figur zeigt in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch einen Kernreaktor gemäß der Erfindung.The figure shows a longitudinal section in a schematic representation by a nuclear reactor according to the invention.

Wie die Figur erkennen läßt, ist ein unterirdisch angeordneter zylindrischer Druckbehälter 1 aus Stahlbeton vorgesehen, der eine Kaverne 2 umschließt. Sein Deckenbereich besteht in diesem Beispiel aus einem abnehmbaren Deckel 3, der die Druckbehälter öffnung abschließt. In der Kaverne 2 ist ein Kernreaktor 4 un tergebracht, dessen Kern aus einer stationären Schüttung 5 ku gelförmiger Brennelemente 6 besteht. Die Brennelemente 6, die im Warm- und Kaltpreßverfahren hergestellt werden, weisen eine relativ hohe Schwermetallbeladung auf, wodurch eine lange Ver weilzeit der Brennelemente 6 im Kern ermöglicht wird. As the figure shows, an underground cylindrical pressure vessel 1 made of reinforced concrete is provided, which encloses a cavern 2 . In this example, its ceiling area consists of a removable cover 3 , which closes the pressure vessel opening. In the cavern 2 , a nuclear reactor 4 is housed un, the core of which consists of a stationary bed 5 ku gel-shaped fuel elements 6 . The fuel assemblies 6 , which are manufactured in the hot and cold pressing process, have a relatively high heavy metal loading, which enables a long time because the fuel assemblies 6 in the core.

Die Erdumhüllung des Druckbehälters 1 ist mit 7 bezeichnet.The earth casing of the pressure vessel 1 is designated 7 .

Die Schüttung 5 ist allseitig von einem Graphitreflektor 8 um geben, der aus Bodenreflektor 9, Seitenreflektor 10 und Decken reflektor 11 besteht. Der Deckenreflektor 11 liegt in diesem Beispiel direkt auf der Schüttung 5 auf. Zwischen ihm und dem Deckel 3 befindet sich ein freier Raum 12. Ein weiterer freier Raum 13 ist zwischen dem Bodenreflektor 9 und dem Boden des Druckbehälters 1 vorgesehen; in diesem Raum ist eine metalli sche Abstützeinrichtung 14 angeordnet, über die sich der Kern reaktor 4 auf dem Druckbehälterboden abstützt.The bed 5 is on all sides of a graphite reflector 8 to give, which consists of bottom reflector 9 , side reflector 10 and ceiling reflector 11 . In this example, the ceiling reflector 11 lies directly on the bed 5 . There is a free space 12 between it and the cover 3 . Another free space 13 is provided between the bottom reflector 9 and the bottom of the pressure vessel 1 ; In this room a metallic support device 14 is arranged, via which the core reactor 4 is supported on the pressure vessel bottom.

Die Schüttung 5 wird von oben nach unten von Helium als primä rem Kühlmittel durchströmt, das die in den Brennelementen 6 er zeugte Wärme abführt. Es wird mittels eines Gebläses 15 umge wälzt, das in senkrechter Lage eingebaut ist und dessen Lauf rad sich zentral unten in dem freien Raum 12 befindet. Der An triebsmotor 27 für das Gebläse 15 ist in einer Durchdringung 16 des Deckels 3 installiert, die außen mit einem Verschlußteil 17 versehen ist.The bed 5 is flowed through from top to bottom by helium as the primary coolant which dissipates the heat generated in the fuel assemblies 6 . It is circulated by means of a fan 15 , which is installed in a vertical position and the running wheel is located centrally below in the free space 12 . At the drive motor 27 for the fan 15 is installed in a penetration 16 of the lid 3 , which is provided on the outside with a closure part 17 .

Der Kernreaktor 4 weist einen stählernen thermischen Schild 18 auf, der die Schüttung 5 sowie den Seitenreflektor 10 und den Bodenreflektor 9 aufnimmt. In dem Seitenreflektor 10 sind senk rechte Kanäle 25 vorgesehen, in denen Absorberstäbe 21 für Trimm- und Abschaltzwecke verfahrbar angeordnet sind. Die An triebseinrichtungen 26 für die Absorberstäbe 21 sind in Durch dringungen 28 des Deckels 3 vorgesehen.The nuclear reactor 4 has a steel thermal shield 18 which receives the bed 5 and the side reflector 10 and the bottom reflector 9 . In the side reflector 10 vertical right channels 25 are provided, in which absorber rods 21 are arranged movable for trimming and switching off purposes. At the drive devices 26 for the absorber rods 21 are provided in penetrations 28 of the cover 3 .

Wie bereits beschrieben, erfolgt die Abfuhr der in den Brennele menten 6 erzeugten Wärme durch den mit Helium betriebenen Pri märkreislauf. Das Helium gibt die aufgenommene Wärme an einen Sekundärkreislauf 24 ab, der mit Wasser betrieben wird. Er um faßt eine Vielzahl von an der Innenseite des Druckbehälters 1 angebrachten Kühlrohren 29 und ist so ausgelegt, daß er sowohl beim Leistungsbetrieb als auch beim Nachwärmeabfuhrbetrieb die gesamte erzeugte Wärme sicher abführen kann. Um zu verhindern, daß es bei einem Wassereinbruch in den Kern (z.B. infolge des Versagens eines oder mehrerer der Kühlrohre 29) zu einem Reak tivitätsanstieg kommt, ist dem Wasser des Sekundärkreislaufs 24 Bor atomar oder als Verbindung zugesetzt. Die beabsichtigte Wirkung läßt sich bereits mit einem geringen Boranteil von weit unter 1% erreichen.As already described, the heat generated in the fuel elements 6 is dissipated by the primary circuit operated with helium. The helium transfers the absorbed heat to a secondary circuit 24 , which is operated with water. He summarizes a variety of attached to the inside of the pressure vessel 1 cooling tubes 29 and is designed so that he can safely dissipate all of the heat generated in both power operation and after-heat removal operation. In order to prevent that it arrives at a water ingress into the core (eg as a result of the failure of one or more of the cooling tubes 29) to a reac tivitätsanstieg, the water of the secondary circuit is added to 24 atomic boron or as a compound. The intended effect can be achieved with a low boron content of well below 1%.

In dem freien Raum 12 ist ein Gasführungsmantel 30 vorgesehen, der Saug- und Druckseite des Gebläses 15 trennt. Er ist an dem oberen Ende des thermischen Schildes 18 angeschlossen.In the free space 12 , a gas guide jacket 30 is provided, which separates the suction and pressure sides of the blower 15 . It is connected to the upper end of the thermal shield 18 .

Die Regelung der Reaktorleistung wird allein über die Drehzahl des Gebläses 15 und die Durchströmung des Sekundärkreislaufs 24 vorgenommen, wobei der einem Kugelhaufenreaktor inhärente negative Temperaturkoeffizient ausgenutzt wird. Das Gebläse 15 saugt das Helium aus dem freien Raum 12 an und fördert es in die Schüttung 5. Beim Durchströmen der Schüttung 5 erhöht sich die Temperatur des Gases auf ca. 500°C. Das aufgeheizte Helium tritt durch (nicht dargestellte) Öffnungen in dem thermischen Schild 18 sowie in dem Bodenreflektor 9 in den freien Raum 13 ein, in dem es sich verteilt und einem Ringraum 31 zugeführt wird, der sich zwischen dem Seitenreflektor 10 und der Wand der Kaverne 2 erstreckt. Aus dem Ringraum 31 tritt das Helium wieder in den Raum 12 ein, womit der Kreislauf geschlossen wäre.The regulation of the reactor power is carried out solely via the speed of the fan 15 and the flow through the secondary circuit 24 , the negative temperature coefficient inherent in a pebble bed reactor being used. The blower 15 draws the helium from the free space 12 and conveys it into the bed 5 . When flowing through the bed 5 , the temperature of the gas increases to about 500 ° C. The heated helium enters through openings (not shown) in the thermal shield 18 and in the bottom reflector 9 into the free space 13 , in which it is distributed and is fed to an annular space 31 which is located between the side reflector 10 and the wall of the cavern 2 extends. The helium enters the space 12 again from the annular space 31 , whereby the cycle would be closed.

Der Druck des Heliums ist so gewählt, daß er über dem Druck des Wassers in dem Sekundärkreislauf 24 liegt.The pressure of the helium is selected so that it is above the pressure of the water in the secondary circuit 24 .

Claims

1. In the cavern of a cylindrical pressure vessel arranged nuclear reactor low power with a stationary bed of spherical fuel elements, which is surrounded on all sides by a graphite reflector, with a primary circuit operated with helium for heat dissipation from the fuel bed and with a secondary circuit operated with water Heat removal from the pressure vessel, which comprises cooling tubes provided on the entire inner surface of the pressure vessel, characterized in that boron is added to the water of the secondary circuit ( 24 ) atomically or as a compound.

2. Nuclear reactor according to claim 1, characterized in that the boron content of the water is <1%.

3. Nuclear reactor according to claim 1 or 2, characterized net that the boron content of the water is always at the same level is held.