DE4229091C2 - Verfahren zu einer inhärent sicheren Beeinflussung der Reaktivität der Neutronen-Kettenreaktion von Kernreaktoren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für selbsttätig wirkende, stabilisierende Steuerung der Reaktivität der Neutronen-Kettenreaktion in Kernreakto­ ren sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Reaktivität der Neutronen-Kettenreaktion eines Kernreaktors ist die relative Vermehrungsrate der Neu­ tronenproduktion. Bei stationärem Normalbetrieb ist die Reaktivität Null. Zur Leistungssteigerung wird die Re­ aktivität vorübergehend angehoben, zur Leistungsminde­ rung wird sie vorübergehend vermindert.

Die Reaktivität wird durch in den Reaktionsbereich der Neutronen-Kettenreaktion eingebrachte Neutronenabsorber beeinflußt. Diese sind in verfahrbaren Absorberstäben untergebracht. Durch Einfahren bzw. Ausfahren der Ab­ sorberstäbe wird die Reaktivität vermindert bzw. ver­ größert.

Die Reaktivität wird - neben der Stellung der Absorber­ stäbe - von vielen weiteren Parametern des Normalbe­ triebs beeinflußt. Prinzipiell besteht die Gefahr einer unkontrollierten Freisetzung von Überschuß-Reaktivität mit der Folge des explosionsartigen Ansteigens der Neutronenproduktion, was sich als Leistungsexkursion auswirkt. Diese wiederum kann so groß sein, daß das Reaktorcore zerstört wird und damit die wichtigsten Barrieren in der Rückhaltung von radioaktiven Stoffen nicht mehr vorhanden sind.

Aus diesen Gründen ist es von Interesse, eine inhärent sichere Verminderung der Reaktivität der Neutronen-Ket­ tenreaktion aufzubauen und anzuwenden. Solche selbsttä­ tigen Eigenschaften von stabilisierender Art sind vor­ handen. Beispiele dafür sind der negative Reaktivitäts- Temperatur-Koeffizient des Brennstoffs und der negative Reaktivitäts-Blasen-Koeffizient des Kühlmittels Siede­ wasser.

Aus GB-PS 756 014 ist beispielsweise ein Nuklearreaktor bekannt, bei dem durch einen regulierbaren, durch den Boden des Reaktorkernbehälters aufwärts strömenden Flüssigkeits­ strom, der zugleich als Moderator dient, die gesamten Pellets in dem Reaktorkernbehälter angehoben und in einer nahezu frei beweglichen Lage gehalten werden, so daß die gewünschte Kettenreaktion ablaufen kann. Bei Störung des als Kühlmittel und Moderator fungierenden Flüssigkeitsstromes fallen die Pellets schwerkraftbe­ dingt auf den Boden des Reaktorkernbehälters, wo sie dann auf Grund des geänderten Moderator/Pellet-Verhältnisses einen unkritischen Zustand annehmen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein weiteres Verfahren und eine Vorrichtung zur selbständigen Stabilisierung eines Kernreaktors zu schaffen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem lediglich ein Teil des zur Neutronen-Kettenreaktion beitragenden Brennstoffs durch mittels Kühlmittelströ­ mung erzeugte Kräfte in dem entsprechenden Teil eines nach unten hin aus dem Reaktionsbereich der Kettenreak­ tion herausführenden Hohlraums, der von dem Reaktorkernbehälter räumlich getrennt ist, gehalten wird. Bei einer Störung des Kühlmittelstroms fällt der in diesem Teil befindliche Brennstoff aus dem Reaktionsraum heraus und führt damit regelmäßig zu einer Heißabschaltung des Reaktors.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß, anders als beim Stand der Technik, wo bei einem Störfall das gesamte Brennmaterial in einen unkritischen Zustand gebracht werden muß, erfindungsge­ mäß lediglich ein kleiner Anteil des Brennmaterials, insbesondere lediglich 1%, aus dem Reaktionsraum ent­ fernt wird. Das ist problemlos möglich, da der Reaktions­ raum außerhalb des Reaktorkernbehälters liegt.

Die Krafterzeugung durch die Normalbetriebsströmung er­ folgt dadurch, daß die Strömung über siebartige Ein- bzw. Austrittsöffnungen durch den länglichen Hohlraum entgegengesetzt zur Schwerkraft geleitet wird. Der im Hohlraum befindliche Brennstoff wird dann von der Strömung in den oberen Raumbereich geschwemmt und dort gehalten. Da dieser obere Teil des Hohlraumes im Reaktionsbereich der Neutronen-Kettenreaktion liegt, trägt der Brennstoff bei funktionierender Strömung zur Kettenreaktion bei. Bei Ausfall der Strömung sinkt oder fällt der Brenn­ stoff in den unteren Teil des Hohlraumes, der außerhalb des Reaktionsbereiches liegt. Damit vermindert sich die Re­ aktivität, was ggfs. zur Heißabschaltung des Reaktors führt.

Vorteilhaft sind Hohlraum und der darin befindliche Brenn­ stoff so dimensioniert, daß der Einfluß dieses Brenn­ stoffs auf die Reaktivität 0,5% bis 1% beträgt. Um die Reaktivität in der Größenordnung zu verändern, muß sich etwa 0,5% bis 1% des gesamten Spaltstoffinven­ tars im oberen Teil des Hohlraums befinden und bei Ausfall der Strömung aus diesem herausfallen.

Ein Absinken der Reaktivität auf Werte zwischen -0,5% bis -1% führt zur Heißabschaltung des Reaktors.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Teil des Brennstoffs z. B. in Form umhüllter Brennstoffteilchen einem mit dem Hauptstrom verbundenen Nebenstrom zugefügt, der Nebenstrom mit den Brennstoff­ teilchen entgegengesetzt zur Schwerkraft in den vorge­ sehenen Raum hineingeleitet und aus diesem über die Brennstoffteilchen heraussiebende Strukturen nach oben hin herausgeleitet.

Umhüllte Brennstoffteilchen, bekannt z. B. beim Hochtem­ peraturreaktor, werden von der Strömung bis zur siebar­ tigen Struktur transportiert und tragen dort solange zur Kettenreaktion bei, solange das Kühlmittel durch den Raum strömt. Bewirkt ein Defekt den Ausfall der Strömung, so sinkt automatisch aus genannten Gründen die Reaktivität.

Zweckmäßig wird der Nebenstrom durch einen brenn­ stofflosen Bereich geführt. Bei schnellen Reaktoren ist folglich der Nebenstrom durch den Brutmantel und bei thermischen Reaktoren durch den Reflektor zu leiten.

Zweckmäßigerweise wird im Raum Brennstoff mit höherer Anreicherung als im übrigen Reaktionsbereich eingesetzt. Hierdurch wird die Effektivität gesteigert.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung ge­ löst, bei der ein außerhalb des Reaktorkerns angeordneter länglicher, mit seiner Längsachse paral­ lel zur Richtung der Schwerkraft liegender Hohlraum vorgesehen ist, der sich mit seinem oberen Teil im Reaktionsbereich der Neutronenkettenreaktion befindet und der an seinen Enden über siebartige Strukturen mit dem Hauptkühlstrom so verbunden ist, daß durch ihn ein Nebenkühlstrom entgegengesetzt zur Schwerkraft fließt und daß sich zwischen den siebartigen Strukturen eine Schüttung feinkörniger Brennstoffteilchen befindet.

Diese Vorrichtung eignet sich zur Durchführung des er­ findungsgemäßen Verfahrens. Ein Teil der Brennstoff­ teilchen befindet sich infolge der Strömung im Reakti­ onsbereich und fällt aus diesem heraus, sobald der Kühlmittelstrom ausfällt. Automatisch sinkt folglich die Reaktivität des Reaktors.

Zweckmäßig sind der Hohlraum und der darin befindliche Brenn­ stoff so dimensioniert, daß bei Ausfall des Kühlstroms 0,5% bis 1% des gesamten Spaltstoffinventars aus dem Reaktionsbereich herausfällt. Dadurch wird die Heißab­ schaltung des Reaktors bewirkt.

Vorteilhaft ist der obere Teil des Hohlraums bei schnellen Reaktoren im Brutmantel und bei thermischen Reaktoren im Reflektor angeordnet. Auf diese Weise befindet sich die Vorrichtung im brennstofflosen Bereich.

Bei Reaktoren mit ringförmigem Reaktorcore ist der Hohlraum vorteilhaft durch die Mittelsäule geführt.

Zur Steigerung der Wirksamkeit ist der im Raum befind­ liche Brennstoff höher als im übrigen Reaktionsbereich angereichert.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird in den Abbil­ dungen schematisch dargestellt und im folgenden erläu­ tert.

Es zeigen

Fig. 1: Querschnitt der Vorrichtung mit Strömung

Fig. 2: Querschnitt der Vorrichtung ohne Strömung

In der Fig. 1 ist ein ringförmiger Reaktorcore im Querschnitt dargestellt. In der Mittelsäule befindet sich ein länglicher Raum, der Brennstoffteilchen ent­ hält. Der Raum ist über siebartige Strukturen derart mit dem Core verbunden, daß der durch den Core fließende Kühlmittelstrom den Raum der Länge nach durchströmt. Die Strömungsrichtung erfolgt gegen die Schwerkraft.

Die siebartigen Strukturen sind so angeordnet, daß dadurch die Brennstoffteilchen nach oben hin nicht aus dem Bereich der Neutronen-Kettenreaktion herausge­ schwemmt werden und nach unten hin zwar nicht den Raum, jedoch den Reaktionsbereich verlassen können. Die Brennstoffteilchen halten sich aufgrund der Strömung vorwiegend im Reaktionsbereich auf.

In Fig. 2 ist dieselbe Vorrichtung dargestellt mit dem Unterschied, daß nun keine Strömung mehr angedeutet ist. Aus diesem Grund befinden sich sämtliche Brenn­ stoffteilchen außerhalb des Reaktionsbereichs auf dem Boden des Raums, tragen also nicht mehr zur Neutronen- Kettenreaktion bei. Gegenüber dem in Fig. 1 darge­ stellten Fall hat die Reaktivität folglich abgenommen.

Claims (7)

1. Verfahren für selbsttätig wirkende, stabilisierende Steuerung der Reaktivität der Neutron-Ketten-Reak­ tion in Kernreaktoren,

• - wobei durch einen außerhalb des Reaktorkerns an­ geordneten, länglichen, mit seiner Längsachse parallel zur Richtung der Schwerkraft liegenden Hohlraum, dessen oberer Teil sich im Reaktionsbe­ reich der Neutronenkettenreaktion befindet und dessen Enden über siebartige Strukturen verfügen,
• - ein Nebenkühlstrom entgegengesetzt zur Schwer­ kraft fließt, der über die siebartige Strukturen mit dem durch den Reaktorkern fließenden Haupt­ kühlstrom verbünden ist,
• - und in dem sich zwischen den siebartigen Struktu­ ren eine Schüttung feinkörniger Brennstoffteil­ chen befindet, wobei sich die Brennstoffteilchen infolge der Strömung des Nebenkühlstromes vorwie­ gend im Reaktionsbereich aufhalten und aus diesem herausfallen, sobald der Kühlmittelstrom aus­ fällt, was eine Absenkung der Reaktoraktivität zur Folge hat.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß ein länglicher, mit seiner Längsachse parallel zur Richtung der Schwerkraft liegender Hohlraum vorgesehen ist, der sich mit seinem oberen Teil im Reaktionsbereich der Neutronenkettenreaktion befin­ det und der an seinen Enden über siebartige Struk­ turen mit dem Hauptkühlstrom so verbunden ist, daß durch ihn ein Nebenkühlstrom entgegengesetzt zur Schwerkraft fließt und daß sich zwischen den sieb­ artigen Strukturen eine Schüttung feinkörniger Brennstoffteilchen befindet.

3. Vorrichtung nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum und der darin befindliche Brennstoff so dimensioniert sind, daß bei Ausfall des Kühlstroms 0,5% bis 1% des gesamten Spaltstoffin­ ventars aus dem Reaktionsbereich herausfällt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teil des Hohlraums bei schnellen Reaktoren im Brutmantel angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teil des Hohlraums bei thermischen Reaktoren im Reflektor angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum bei Reaktoren mit ringförmigen Reaktoren durch die Mittelsäule geführt ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß der im Raum be­ findliche Brennstoff höher als im übrigen Reakti­ onsbereich angereichert ist.