EP1166277A1 - Reaktorsteuerungssystem und -verfahren - Google Patents

Reaktorsteuerungssystem und -verfahren

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Publication number
EP1166277A1
EP1166277A1 EP00925052A EP00925052A EP1166277A1 EP 1166277 A1 EP1166277 A1 EP 1166277A1 EP 00925052 A EP00925052 A EP 00925052A EP 00925052 A EP00925052 A EP 00925052A EP 1166277 A1 EP1166277 A1 EP 1166277A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
neutron
bodies
reactor
neutron absorption
absorbing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP00925052A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stephan Struth
Mario Kuhlmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP1166277A1 publication Critical patent/EP1166277A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C7/00—Control of nuclear reaction
    • G21C7/06—Control of nuclear reaction by application of neutron-absorbing material, i.e. material with absorption cross-section very much in excess of reflection cross-section
    • G21C7/08—Control of nuclear reaction by application of neutron-absorbing material, i.e. material with absorption cross-section very much in excess of reflection cross-section by displacement of solid control elements, e.g. control rods
    • G21C7/10—Construction of control elements
    • G21C7/107—Control elements adapted for pebble-bed reactors
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C7/00—Control of nuclear reaction
    • G21C7/28—Control of nuclear reaction by displacement of the reflector or parts thereof
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C9/00—Emergency protection arrangements structurally associated with the reactor, e.g. safety valves provided with pressure equalisation devices
    • G21C9/02—Means for effecting very rapid reduction of the reactivity factor under fault conditions, e.g. reactor fuse; Control elements having arrangements activated in an emergency
    • G21C9/027—Means for effecting very rapid reduction of the reactivity factor under fault conditions, e.g. reactor fuse; Control elements having arrangements activated in an emergency by fast movement of a solid, e.g. pebbles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the present invention relates to a method and a control system for regulating and selectively shutting down the power of a nuclear reactor. It also relates to a nuclear reactor including such a control system and to a neutron absorption body for regulating and optionally switching off the power of a nuclear reactor.
  • Today's nuclear fission reactors comprise a reactor core that contains nuclear fuel elements.
  • the nuclear fuel elements include the nuclear fuel (uranium, thorium and / or plutonium isotopes) and a moderator.
  • Nuclear fission releases fast neutrons, which are slowed down by the moderator in order to achieve an energy level that is suitable for causing another fuel core to fission. This in turn leads to the release of fast neutrons and heat, which is used to generate energy.
  • shutdown systems for nuclear reactors. They serve to end the nuclear chain reaction. At least one of these systems can also be used to regulate the operation, ie the power and the power profile of the reactor.
  • the shutdown systems conventionally operate by introducing neutron absorbing materials into the core or its surroundings (eg the surrounding reflector). The amount of such absorbers to be introduced must be sufficient to ensure a sufficiently fast control and, if necessary, to ensure a sufficient switch-off effect, for example in all operating and fault situations in the event of a temperature change and / or after a disintegration of
  • a shutdown system is also used for control purposes, these absorbers are not moved completely out of their effective positions during normal operation, so that the reactivity can be increased when extended further, i.e. the splitting rate can be increased.
  • a switch-off function is achieved by moving additional absorbers into effective positions, which stops the chain reaction.
  • HTR high temperature reactor
  • a characteristic of the pebble bed reactor is that new spherical fuel elements are introduced into its core during operation and old ones can be withdrawn from it if necessary.
  • Rods are usually used in the shutdown and control systems, in which the absorbent material is enclosed in metallic tubes. If the ball cluster core is designed accordingly, it is sufficient to insert such rods into the rod openings provided in the side reflectors. In addition, it is only possible for shutdown purposes to enclose the absorber in small balls instead of rods, as was the case with the second shutdown system of the MODUL-HTR concept. Such balls have become known as "Small Absorber Beads" (KLAKs). These KLAKs consist of graphite balls that contain boron or boron carbide. The KLAKs are placed in vertical so-called KLAK openings or bores.
  • KLAKs are less sensitive to temperature than metallic rods.
  • KLAKs collect by gravitation at the lower end of each KLAK channel and have to be filled up by gravitation or to reach higher levels be subtracted down from there to reduce the absorption level.
  • absorber materials have hitherto been used primarily in the form of the aforementioned rods in order to influence the performance profile and in particular the thermal performance profile in the desired manner in a controlled manner, usually in order to smooth such a profile.
  • HTR too, this is mainly done to avoid high local radiation exposure in the graphite reflector.
  • the concentration of spent fuel increases downwards.
  • the maximum power is usually in the upper half of the core.
  • the course of this maximum power in the upper half and thus also the resulting profile or the production of fast neutrons can be smoothed if the part of the absorber body of the control system that is used for power control, under normal operating conditions near this position, has maximum effect the top half. Extending from this position of maximum effect releases reactivity, while the introduction of more absorber material reduces this activity and ultimately leads to a shutdown.
  • the control system is generally designed for operation with bars. So far, KLAKs have only been used for the second shutdown system, ie only for complete shutdown. However, a recent South African patent application 98/0128 proposes a system in which KLAKs are also used to regulate the reactor power and the power profile.
  • the conventional control rods were each in the form of a rod, around which annular control bodies made of neutron-absorbing material such as boron carbide, hafnium carbide or the like were arranged.
  • annular control bodies made of neutron-absorbing material such as boron carbide, hafnium carbide or the like were arranged.
  • boron carbide is stable at temperatures up to at least 1600 ° C
  • the metal of the inner rod loses its required tensile strength at temperatures above 650 ° C. This causes problems because, for very good reasons, it was customary to arrange these metal rods hanging at the top in order to be able to lower them by gravitation into the core area and thus to slow down the chain reaction by increasing the neutron absorption and optionally to stop it entirely.
  • the neutron flow is highest in the upper areas of the reactor core, because fresh fuel element balls are conventionally introduced into the reactor core from above, while completely or partially used or spent fuel balls are withdrawn from the lower area. Accordingly, the level of the neutron flux in the reactor core decreases from top to bottom. It therefore makes sense that a control system is advantageous that primarily reaches the core area from above.
  • temperatures of around 900 ° C have become the norm during normal operation, and in the event of malfunctions, the temperatures of the absorber bodies can rise to over 1200 ° C, which far exceeds the tolerance limits of the metal rods.
  • a first aspect of the invention is a method for regulating and selectively shutting down the power of a nuclear reactor by one or more
  • Neutron absorption body or partial body which are movably accommodated in a cavity or cavities in the active area of the reactor, wherein in addition to the one or more neutron absorption bodies or partial bodies in the cavity or the cavities, one or more further bodies or partial bodies with properties of weakly neutrons absorbing to non-absorbing until Neutrons are housed in a reflective manner and said bodies or partial bodies and further bodies or partial bodies are moved in relation to one another and / or to the reactor core in order to control a neutron flow provided by the core by setting conditions which range from maximum neutron absorption to minimum neutron absorption or maximum neutron reflection .
  • Both types of bodies or partial bodies can be rotated in relation to one another. Both types of bodies or partial bodies can be moved as integrated units. Both can be combined into a single integral body or bodies.
  • the method may be a method of regulating and optionally shutting down a nuclear reactor to the extent that one or more neutron absorbing bodies are exposed to a neutron flux generated by the core of the reactor to absorb neutrons, and may be carried out with a neutron absorbing body which is one Neutron absorption surface area and a further surface area that is less neutron absorbing to non-absorbing and / or reflecting neutrons.
  • the degree of neutron absorption or non-absorption and / or neutron reflection can then be controlled by controlling the orientation of the absorbent body relative to the reactor core between an extreme orientation for maximum absorption at which the neutron sorbent surface area is maximally exposed to the neutron flux, and another extreme orientation for minimal or no neutron absorption and / or for neutron reflection, in which the weaker neutron absorbing or non-absorbing or reflecting area is so exposed.
  • the method of the invention can be carried out with a neutron absorption body, the orientation of which is controlled by its rotational movement between the two extreme orientations.
  • the cavity or cavities in the active area of the reactor can be open to the reactor core, and an area or areas of the bodies can be directly exposed to the reactor core.
  • open areas in the form of a slot or a sequence of slots or openings can be provided parallel to the axis of the reactor core.
  • the slots can then connect between the core region and the cavity or cavities and be dimensioned such that the neutron absorption body (s) are / are retained in the cavity or cavities in the channel, while fuel balls in the case of a pebble bed reactor are prevented from entering the cavity or to enter the cavities.
  • the neutron absorption body (s) can be located on a slope in order to automatically move into an orientation for maximum neutron absorption by gravitation in the event of an energy interruption or other malfunction.
  • the bevel can be designed, for example, as an inclined spiral plane, as a screw thread, as a worm or the like in cooperation with a suitable additional contact surface. be educated. In this way, the neutron absorption body can be held at the upper end of the inclined spiral plane during normal operation of the reactor. In such an embodiment, the body is automatically released at the upper end of the inclined spiral plane in the event of a power failure. The body then moves down the plane, rotating to automatically align for maximum neutron absorption.
  • the orientation of the absorption body (s) and possibly other bodies can be controlled by means which are actuated from outside the pressure body of the reactor.
  • a control system for regulating and optionally switching off the power of a nuclear reactor, including one or more neutron absorption bodies or partial bodies which are movably accommodated in a cavity or cavities in the active region of the reactor and in relation to one another and / or can be moved to the reactor core to control the neutron flux available from the core through setting conditions ranging from maximum neutron absorption to minimum neutron absorption and / or neutron reflection.
  • the invention extends to a nuclear reactor including a control system as described above.
  • the reactor can be a high temperature reactor (HTR), for example a pebble bed reactor.
  • HTR high temperature reactor
  • a neutron absorption body is provided for regulating and optionally switching off the power of a nuclear reactor, which has a neutron-absorbing surface area and in which a further surface area is weakly absorbing or non-absorbing or reflecting neutrons.
  • the neutron absorbing and weaker neutron absorbing or non-absorbing surface areas can be axially displaced in relation to each other.
  • the non-absorbent surface area can be neutrons reflective.
  • the neutron absorption body can be rod-shaped.
  • graphite blocks or stones are provided which are suitable for being assembled into a reactor reflector and for forming the cavity or cavities for the neutron absorption bodies with the above-described new features.
  • the graphite blocks or stones can be shaped and dimensioned such that they can be assembled into a reactor reflector in which cavities are formed which are open to the reactor core as described above.
  • the invention is preferably applied to reactors of the high temperature reactor (HTR) type and in particular to reactors in which fresh nuclear fuel with or without recirculated partially burned fuel is to be supplied at one end and spent fuel with or without partially burned fuel is to be withdrawn at an opposite end .
  • the Neutron absorbent bodies are then typically held in an arrangement suitable for effecting maximum neutron absorption in an area immediately at or near a part of the reactor core where the fuel passing through the reactor reaches maximum or near maximum neutron flux and a decreasing or zero -To cause neutron absorption in areas adjacent to core areas where the fuel activity is already reduced.
  • the reactor according to the invention is therefore a pebble bed or pebble bed reactor.
  • the level (in relation to the core) at which a change from the maximum absorption effect to a less absorbing or zero absorption effect should take place largely depends on how fuel is supplied to the reactor.
  • the arrangement is intended to provide maximum absorption in an area immediately at or near the top half of the reactor core and reduced or zero absorption in an area where the performance of the non-poisoned core is approximately half to one third of the maximum area Performance is. More specifically, the area with reduced or zero absorption effect begins at a level not less than 1/10 of the total core height above the bottom reflector area of the reactor.
  • the range of maximum performance of the core is usually at a level between 50% and 70% of the total core height and the part of the arrangement with the maximum absorption effect does not extend down to a level 30% of the total core height above the bottom reflector area of the reactor.
  • the reactor is a single-use reactor (OTTO)
  • the range of the maximum output of the core is usually at a level between 66% and 75% of the total core height, with the range of the arrangement with maximum absorption effect downward Level does not extend below 40% of the total core height above the bottom reflector area of the reactor. More specifically, the area of the array with maximum absorption effect extends down to a level not below 50% of the total reactor height above the bottom reflector area of the reactor.
  • areas of the arrangement with maximum absorption effect will be those areas where the neutron absorption bodies as part of the arrangement with normal functioning of the reactor have the largest area of the neutron absorption surface area towards the reactor core, while parts of the arrangement with reduced or zero absorption effect will be those parts where the neutron absorption bodies have a larger area of the weaker neutron absorbing or non-absorbing or reflecting surface area towards the core.
  • the alignment of the neutron absorption bodies in relation to the core is of course also controlled by rotating the bodies between the two extreme orientations for maximum and minimum neutron absorption.
  • the invention is of particular use in reactors where the core's power is used directly to operate helium turbines or turbines with other gaseous media that require high outlet temperatures.
  • the dosage or concentration of fast neutrons hitting the inner wall of the reflector can rise to values above 1.5 x 10 22 cm “2 (EDN). Therefore, in view of the aforementioned modern temperatures, up to 900 ° C or more, a side wall reflector with a continuous, smooth surface also fail before it has reached the designed life expectancy of around 30 years, which is caused by radiation-related graphite volume changes that take place in two phases. In the first phase, neutron radiation leads to an unproblematic volume contraction.
  • the volume increases again, possibly exceeding the original dimensions and resulting in stresses that damage the reflector.
  • the inward-facing surface of the reflector and the corresponding surfaces of the graphite blocks or According to the invention stones are preferably grooved in a manner which is known to compensate for such dimensional changes which the graphite experiences after prolonged intensive neutron irradiation.
  • Figure 1 schematically shows a longitudinal section through a nuclear reactor of the modular HTR pebble type developed according to the invention
  • Figure 2 schematically shows a side view of a nuclear absorption body in an orientation for maximum neutron absorption
  • Figure 3 schematically shows a section at III-III in Figure 2, which shows the neutron absorption body from Figure 2 in a cavity in the active area of the reactor open to the reactor core;
  • Figure 4 schematically shows a partial view of the neutron absorption body shown in Figure 2, coupled to a drive and held at the upper end of an inclined spiral plane, in its orientation for normal functioning of the reactor;
  • FIG. 5 schematically shows a three-dimensional partial view of part of a reflector with the formation of a longitudinal cavity for the mobile reception of a neutron absorption body, the reflector being formed from graphite blocks and the cavity being open towards the reactor core;
  • Figure 6 schematically shows a transverse cross section of part of a reflector for a nuclear reactor, the section running through a neutron absorption body, which is movably accommodated in a cavity formed in the reflector, and through a fuel element in the reactor core.
  • reference numeral 30 generally designates a MODUL-HTR-type pebble (spherical fuel) HTR reactor modified and developed for use in accordance with the present invention.
  • the reactor 30 includes a reactor core 32 filled with poured fuel up to a conical upper level 34.
  • the reference number 36 denotes a reflector made of high-purity graphite in the area of its inner surface and of graphite of lower quality in its outer area.
  • the core 32 and the reflector 36 are from a reactor steel vessel or pressure vessel 38 in connection with a connecting pipe 40 for supplying cooling gas such as helium to the core 32.
  • Reference numeral 42 generally designates a fuel inlet and reference numeral 44 a fuel outlet controlled by an outlet regulator 46.
  • a lower area of the reflector is designated by the reference number 48.
  • the reactor 30 includes a control system for regulating and selectively shutting down the power of the nuclear reactor.
  • the control system includes neutron absorption bodies 52 which are movably housed in cavities 50 formed in the reflector 36.
  • Each neutron absorption body 52 in the embodiment shown has a neutron absorption surface area 54 and a neutron reflecting surface area 56.
  • the neutron absorption surface area may be made of boron carbide, hafnium carbide, or other suitable neutron absorption material.
  • the neutron reflecting surface area can be made of graphite or another suitable neutron reflecting material.
  • the neutron absorption body 52 preferably does not contain any supporting metal parts.
  • the degree of neutron absorption or non-absorption and / or neutron reflection by the neutron absorption body 52 is controlled by controlling the orientation of the absorption body in relation to the reactor core 32 between an extreme orientation for maximum absorption (shown in Figures 2 and 3) at which the neutron absorbing surface area 54 is maximally exposed to the neutron flow from the reactor core 32, and another extreme orientation (shown in Figure 4) for minimal or no neutron absorption and / or for neutron reflection, in which the Neutron reflecting surface area 56 is exposed to the neutron flux.
  • Reference numeral 58 denotes a drive coupled to the neutron absorption body 52 for controlling the alignment of the body 52 by rotating the body between its two extreme orientations.
  • the drive 58 rotates the body 52 within the cavity 50 so that a range of orientations of the neutron absorbing and neutron reflecting surface areas 54, 56 relative to the reactor core 32 can be achieved as is required to control the operation of the reactor 30.
  • the drive 58 is coupled to the body 52 by means of an electromagnetic clutch (not shown).
  • the body 52 is held at the upper end of an inclined spiral plane (reference screw) designated by the reference number 80.
  • the reference number 82 designates a stop or a supplementary bearing surface which interacts with the inclined plane 80.
  • the body 52 moves under gravity, the bearing surface 82 moving downward on the inclined plane 80 and thereby rotating.
  • the reactor is automatically switched off by automatically lowering the neutron absorption bodies 52 into their switch-off positions for maximum neutron flux absorption capacity.
  • the neutron absorption body 52 is shown in its switch-off position after it has moved downward on the support screw 80.
  • the absorption body 52 is held under normal operating conditions at the upper end of the support screw 80 by means of an electromagnetic clutch.
  • Other holding devices or methods for exerting a retaining force on the stop or the support surface 82 in order to hold it at the upper end of the support screw 80 fall within the scope of the invention.
  • Such means are configured for automatic release in the event of a power failure.
  • the actuator 58 is located outside of the pressure vessel 38 of the reactor to facilitate maintenance.
  • the drive is in the pressure vessel.
  • a single longitudinal slot 74 is formed along part of the length of each cavity 50.
  • the slot 74 runs parallel to the reactor core axis and extends rearward from the core area through the cavity 50.
  • Two graphite stones or blocks 76 lying opposite one another are shaped and dimensioned such that a part of the slot 74 and the cavity 50 is formed between them.
  • the slot 74 is shaped and dimensioned in such a way that the neutron absorption body 52 is held captive in the cavity 50, more precisely such that fuel gels 78 (in the case of a pebble bed reactor) cannot get into the cavity.
  • a distance of 20 mm can be achieved between the body 52 and the reactor core 32.
  • the stones or blocks 76 in Figures 5 and 6 form a slot that runs the full vertical length of each stone or block.
  • graphite stones or blocks forming the reflector can each have a discrete slot, so that a vertical stack of stones or blocks forms a series of discrete, successively arranged slots that open to a specific cavity 50 - no.
  • the core-side surfaces 77 of the stones or blocks 76 are grooved in order to compensate for the dimensional changes which graphite undergoes after prolonged intensive neutron irradiation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Methode und ein Kontrollsystem für die Regulierung und eventuell Abschaltung der Leistung eines Kernreaktors. Die Regelung auf einer Neutronenabsorption mit beweglichen Neutronenabsorptionskörpern und schwach Neutronen absorbierenden, nicht absorbierenden oder reflektierenden körpen, die in Hohlräumen des aktiven Bereichs des Reaktors beweglich untergebracht sind.

Description

B e s c h r e i b u n g
Reaktorsteuerungssystem und -verfahren
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein Steuerungssystem zum Regeln und wahlweisen Abschalten der Leistung eines Kernreaktors. Sie bezieht sich weiter auf einen Kernreaktor einschließlich eines solchen Steuerungssystems und auf einen Neutronenab- sorptionskδrper zum Regeln und wahlweisen Abschalten der Leistung eines Kernreaktors.
Heutige Kernspaltungsreaktoren umfassen einen Reaktor- kern, der Kernbrennstoffelemente enthält. Die Kernbrennstoffelemente umfassen den Kernbrennstoff (Uran-, Thorium- und/oder Plutoniumisotope) sowie einen Moderator. Die Kernspaltung setzt schnelle Neutronen frei, die durch den Moderator abgebremst werden, um ein Ener- gieniveau zu erreichen, das geeignet ist, einen weiteren Brennstoffkern zur Spaltung zu veranlassen. Dies führt wiederum zur Freisetzung von schnellen Neutronen und Wärme, die zur Energieerzeugung genutzt wird.
Es ist heute allgemein üblich, für Kernreaktoren mindestens zwei unabhängige Abschaltsysteme zu verwenden. Sie dienen dazu, die nukleare Kettenreaktion zu beenden. Mindestens eines dieser Systeme kann darüber hinaus zur Regelung des Betriebs, d.h. der Leistung und des Leistungsprofils des Reaktors benutzt werden. Die Abschaltsysteme arbeiten herkömmlicherweise durch Einbringen von Neutronen absorbierenden Materialien in den Kern oder seine Umgebung (z.B. den umgebenden Reflektor) . Die Menge solcher einzubringender Absorber muss ausreichend sein, um einen hinreichend schnellen Regel- und ggf. hinreichenden Abschalteffekt zu gewährleisten, z.B. in allen Betriebs- und Störfallsituationen bei einem Temperaturwechsel und/oder nach einem Zerfall von
Xe^
Falls ein Abschaltsystem auch zum Regeln benutzt wird, werden diese Absorber im Normalbetrieb nicht ganz aus ihren effektiven Positionen herausgefahren, so dass bei weiterem Ausfahren die Reaktivität erhöht werden kann, d.h. die Spaltrate kann erhöht werden. Eine Abschalt- funktion wird erreicht durch Bewegen weiterer Absorber in effektive Positionen, wodurch die Kettenreaktion angehalten wird.
Der sogenannte Hochtemperaturreaktor (HTR) hat in jüngerer Zeit an Bedeutung gewonnen. Sein Name ergibt sich aus der Tatsache, dass er aufgrund seiner Graphitbauweise in der Lage ist, Wärme mit hohen Temperaturen zu erzeugen. Ein Sondertyp des HTR ist der Kugelschüt- tungs- oder Kugelhaufenreaktor. Dieser hat eine Reihe fortschreitender Entwicklungsstufen durchlaufen, die als AVR (Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor mit Standort in Jülich, Deutschland, der eine Wärmeleistung von 46 MW hatte und für eine Heliumausgangstemperatur von 850 °C ausgelegt war, aber experimentell bis 1000 °C betrieben wurde) ; THTR (Thorium-Hochtemperatur-Reaktor; Wärmeleistung 750 MW mit Standort in Uentrop, Deutschland) ; bzw. MODUL-HTR (ein in Deutschland entwickeltes modulares Kugelhaufenreaktorkonzept mit einer Wärme- leistung von 200 MW) bekannt sind. Ein Merkmal des Kugelhaufenreaktors besteht darin, dass während seines Betriebs neue kugelförmige Brennelemente in seinen Kern eingebracht werden und nötigenfalls alte aus ihm abgezogen werden können. Diese Merkmale ermöglichen eine Entlastung des Regelsystems von seiner Aufgabe, den Verbrauch an Kernbrennstoff durch den Abzug von Absor- bermaterial zu kompensieren. In diesen Systemen muss das Regelsystem lediglich Reaktivitätsschwankungen infolge Temperaturwechsel, sich ändernder Xe135-Konzentra- tion und ähnlicher geringfügigerer Effekte ausgleichen.
Gewöhnlich werden in den Abschalt- und Regelsystemen Stäbe verwendet, bei denen das absorbierende Material in metallischen Rohren eingeschlossen ist. Wenn der Kugelhaufenkern entsprechend konstruiert ist, genügt es, solche Stäbe in hierfür vorgesehene Staböffnungen in den Seitenreflektoren einzufahren. Außerdem ist es nur für Abschaltzwecke auch möglich, den Absorber in kleine Kugeln anstatt in Stäbe einzuschließen, wie dies beim zweiten Abschaltsystem des MODUL-HTR-Konzepts geschehen ist. Solche Kugeln sind als "Kleine Absorber- Kügelchen" (KLAKs) bekannt geworden. Diese KLAKs bestehen aus Graphitkugeln, die Bor oder Borkarbid enthalten. Die KLAKs werden in vertikale sogenannte KLAK- Öffnungen oder -Bohrungen eingebracht. Zum Entfernen der KLAKs aus ihren effektiven Positionen werden diese üblicherweise durch Gravitation am unteren Ende solcher KLAK-Öffnungen oder -Bohrungen abgezogen. Sie werden dann pneumatisch in die Aufgabehälter der KLAK-Bohrun- gen zurückgeleitet. Die wichtigsten Unterschiede in den Merkmalen zwischen Stäben und KLAKs sind:
1. KLAKs sind weniger temperaturempfindlich als metallische Stäbe.
2. Während Stäbe sowohl von unten als auch von oben eingefahren und bei Ausführung als Kurzstäbe auch in verschiedene Positionen eingebracht werden können, sammeln sich KLAKs durch Gravitation am unteren Ende eines jeden KLAK-Kanals und müssen zum Erreichen höherer Pegel durch Gravitation aufge- füllt oder von dort nach unten abgezogen werden, um die Absorptionspegel zu verringern. In vielen Reaktoren werden Absorbermaterialien bisher vornehmlich in Form der vorgenannten Stäbe eingesetzt, um das Leistungsprofil und insbesondere das Wärmeleis- tungsprofil in gewünschter Weise kontrolliert zu beeinflussen, gewöhnlich um ein solches Profil zu glätten. Dies geschieht auch im HTR hauptsächlich zur Vermeidung hoher örtlicher Bestrahlungsbelastungen im Graphitreflektor. In einem Kugelhaufen-HTR erhöht sich die Kon- zentration abgebrannten Brennstoffs nach unten. Dementsprechend befindet sich das Leistungsmaximum gewöhnlich in der oberen Hälfte des Kerns. Der Verlauf dieses Leistungsmaximums in der oberen Hälfte und damit auch das entstehende Profil bzw. die Produktion schneller Neutronen kann geglättet werden, wenn sich der Teil der Absorberkörper des Regelsystems, der zur Leistungsregelung benutzt wird, unter normalen Betriebsbedingungen in der Nähe dieser Position maximaler Wirkung in der oberen Hälfte befindet. Ein Ausfahren aus dieser Posi- tion maximaler Wirkung setzt Reaktivität frei, während das Einbringen von mehr Absorbermaterial diese Aktivität verringert und schließlich zu einer Abschaltung führt. Um dieses Merkmal des Regelsystems voll nutzen zu können, aber auch um die Kosten solcher Steuerungs- Vorgänge zu minimieren, ist das Regelsystem im Allgemeinen für den Betrieb mit Stäben ausgelegt . KLAKs sind bisher nur für das zweite Abschaltsystem verwendet worden, d.h. nur zum vollständigen Abschalten. Eine neuere südafrikanische Patentanmeldung 98/0128 schlägt jedoch ein System vor, bei dem KLAKs auch zum Regeln der Reaktorleistung und des Leistungsprofils benutzt werden.
Die konventionellen Steuerstäbe hatten bisher jeweils die Form eines Stabes, um den herum ringförmige Steuer- körper aus Neutronen absorbierendem Material wie Borkarbid, Hafniumkarbid oder ähnlichem angeordnet waren. Während Borkarbid beispielsweise bei Temperaturen bis zu mindestens 1600 °C stabil ist, verliert das Metall des Innenstabes seine erforderliche Zugfestigkeit bei Temperaturen über 650 °C. Dies verursacht Probleme, denn aus sehr guten Gründen war es üblich, diese Metallstäbe oben hängend anzuordnen, um sie durch Gravitation in den Kernbereich absenken zu können und so durch Erhöhen der Neutronenabsorption die Kettenreaktion abzubremsen und wahlweise ganz anzuhalten. In kon- ventionellen Kugelhaufenreaktoren ist der Neutronen- fluss in den oberen Bereichen des Reaktorkerns am höchsten, weil frische Brennelementkugeln konventionell von oben in den Reaktorkern eingebracht werden, während ganz oder teilweise verbrauchte oder abgebrannte Brenn- stoffkugeln aus dem unteren Bereich abgezogen werden. Dementsprechend nimmt der Pegel des Neutronenflusses im Reaktorkern von oben nach unten ab. Daher liegt es nahe, dass ein Regelsystem von Vorteil ist, das vorrangig von oben in den Kernbereich gelangt . Bei modernen Kugelhaufenreaktoren sind Temperaturen von etwa 900 °C bei Normalbetrieb die Regel geworden und im Falle von Betriebsstörungen können die Temperaturen der Absorberkörper auf über 1200 °C ansteigen, was die Toleranzgrenzen der Metallstäbe bei weitem übersteigt.
Es wurde daher eine Notwendigkeit für eine Alternative zu konventionellen Absorberstäben in Regel- und Abschaltsystemen gesehen, welche die Probleme der Wärmeempfindlichkeit herkömmlicher Stäbe ohne Verlust an Re- gelfähigkeit und Schutz des Reflektors gegen Strahlen- Überbelastung überwinden oder mindern würde .
Gemäß einer ersten Erscheinungsform der Erfindung ist ein Verfahren zum Regeln und wahlweisen Abschalten der Leistung eines Kernreaktors durch einen oder mehrere
Neutronenabsorptionskörper oder -teilkörper vorgesehen, die in einem Hohlraum oder Hohlräumen im aktiven Bereich des Reaktors beweglich untergebracht sind, wobei zusätzlich zu dem einen oder zu mehreren Neutronenabsorptionskörpern oder -teilkörpern in dem Hohlraum oder den Hohlräumen ein oder mehrere weitere Körper oder Teilkörper mit Eigenschaften von schwach Neutronen absorbierend zu nicht absorbierend bis Neutronen reflektierend untergebracht sind und besagte Körper oder Teilkörper und weitere Körper oder Teilkörper in Rela- tion zueinander und/oder zum Reaktorkern bewegt werden, um einen vom Kern bereitgestellten Neutronenfluss durch Einstellbedingungen zu steuern, die von maximaler Neutronenabsorption bis zu minimaler Neutronenabsorption oder maximaler Neutronenreflektion reichen.
Beide Arten von Körpern oder Teilkörpern können in Relation zueinander drehbar bewegt werden. Beide Arten von Körpern oder Teilkörpern können als integrierte Einheiten bewegt werden. Beide können zu einem einzigen integralen Körper oder Körpern zusammengefügt werden.
Das Verfahren kann ein Verfahren der Regelung und wahl- weisen Abschaltung eines Kernreaktors in dem Maße sein, wie ein oder mehrere Neutronenabsorptionskörper einem vom Kern des Reaktors erzeugten Neutronenfluss ausgesetzt sind, um Neutronen zu absorbieren, und es kann mit einem Neutronenabsorptionskörper durchgeführt werden, der einen Neutronenabsorptionsoberflächenbereich und einen weiteren Oberflächenbereich hat, der schwä- eher Neutronen absorbierend bis nicht absorbierend und/oder Neutronen reflektierend ist. Der Grad der Neutronenabsorption oder Nichtabsorption und/oder Neutronenreflektion kann dann gesteuert werden durch Steuerung der Ausrichtung des Absorptionskörpers in Relation zum Reaktorkern zwischen einer Extremausrichtung für maximale Absorption, bei der der Neutronen ab- sorbierende Oberflächenbereich dem Neutronenfluss maximal ausgesetzt ist, und einer anderen Extremausrichtung für minimale oder keine Neutronenabsorption und/oder für Neutronenreflektion, bei der der schwächer Neutronen absorbierende oder nicht absorbierende oder reflektierende Bereich derart exponiert ist .
Das Verfahren der Erfindung kann mit einem Neutronenabsorptionskörper durchgeführt werden, dessen Ausrichtung durch seine Drehbewegung zwischen den beiden Extremausrichtungen gesteuert wird.
Der Hohlraum oder die Hohlräume im aktiven Bereich des Reaktors können zum Reaktorkern hin offen sein, und ein Bereich oder Bereiche der Körper können dem Reaktorkern direkt ausgesetzt sein. In Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der Hohlraum oder die Hohlräume zum Reaktorkern hin offen sind, können offene Bereiche in Form eines Schlitzes oder einer Folge von Schlitzen oder Öffnungen parallel zur Reaktorkernachse vorgesehen sein. Die Schlitze können dann zwischen Kernbereich und Hohlraum oder Hohlräumen eine Verbindung herstellen und so dimensioniert sein, dass der/die Neutronenabsorptionskörper in dem Hohlraum oder den Hohlräumen im Kanal zurückgehalten wird/werden, während Brennstoffkugeln im Falle eines Kugelhaufenreaktors daran gehindert werden, in den Hohlraum oder die Hohlräume zu gelangen.
Der/die Neutronenabsorptionskörper kann/können sich auf einer Schräge befinden, um sich im Falle einer Energieunterbrechung oder sonstigen Betriebsstörung automatisch durch Gravitation in eine Ausrichtung für maximale Neutronenabsorption zu bewegen. Die Schräge kann beispielsweise als schiefe Spiralebene, als Schrauben- gewinde, als Schnecke oder ähnliches im Zusammenwirken mit einer geeigneten ergänzenden Auflagefläche ausge- bildet sein. So kann der Neutronenabsorptionskörper bei normaler Funktionsweise des Reaktors am oberen Ende der schiefen Spiralebene gehalten werden. In einer solchen Ausführungsform erfolgt eine automatische Freigabe des Körpers am oberen Ende der schiefen Spiralebene bei Stromausf ll. Der Körper bewegt sich dann auf der Ebene abwärts und dreht sich dabei, um automatisch in eine Ausrichtung für maximale Neutronenabsorption zu gelangen.
Die Ausrichtung des/der Absorptionskörper (s) und ggf. weiterer Körper kann durch Mittel gesteuert werden, die von außerhalb des Druckkörpers des Reaktors betätigt werden .
Gemäß einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung ist ein Steuerungssystem zum Regeln und wahlweisen Abschalten der Leistung eines Kernreaktors vorgesehen, einschließlich eines oder mehrerer Neutronenabsorptions- körper oder -teilkörper, die in einem Hohlraum oder Hohlräumen im aktiven Bereich des Reaktors beweglich untergebracht sind und in Relation zueinander und/oder zum Reaktorkern bewegt werden können, um den vom Kern verfügbaren Neutronenfluss durch Einstellbedingungen zu steuern, die von maximaler Neutronenabsorption bis zu minimaler Neutronenabsorption und/oder Neutronenreflektion reichen.
Weitere Merkmale des Systems sind analog den vorstehend im Zusammenhang mit dem Verfahren der Erfindung beschriebenen.
Die Erfindung erstreckt sich auf einen Kernreaktor einschließlich eines Steuerungssystems wie vorstehend be- schrieben. Der Reaktor kann ein Hochtemperaturreaktor (HTR), z.B. ein Kugelhaufenreaktor sein. Gemäß einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung ist ein Neutronenabsorptionskörper zum Regeln und wahlweisen Abschalten der Leistung eines Kernreaktors vorgese- hen, der einen Neutronen absorbierenden Oberflächenbereich hat und bei dem ein weiterer Oberflächenbereich schwächer Neutronen absorbierend oder nicht absorbierend bzw. Neutronen reflektierend ist.
Die Neutronen absorbierenden und schwächer Neutronen absorbierenden oder nicht absorbierenden Oberflächenbereiche können in Relation zueinander axial verschoben sein.
Der nicht absorbierende Oberflächenbereich kann Neutronen reflektierend sein. Der Neutronenabsorptionskörper kann stabförmig sein.
In einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung sind Graphitblöcke oder -steine vorgesehen, die geeignet sind, zu einem Reaktorreflektor zusammengebaut zu werden und darin den Hohlraum oder die Hohlräume für die Neutronenabsorptionskörper mit den vorbeschriebenen neuen Merkmalen zu bilden. Die Graphitblöcke oder -steine können so geformt und dimensioniert sein, dass sie zu einem Reaktorreflektor zusammengebaut werden können, in dem Hohlräume ausgebildet sind, die wie vorstehend beschrieben zum Reaktorkern hin offen sind.
Die Erfindung findet vorzugsweise Anwendung auf Reaktoren des Hochtemperaturreaktor (HTR) -Typs und insbesondere auf Reaktoren, bei denen an einem Ende frischer Kernbrennstoff mit oder ohne rückgeführten teilabgebrannten Brennstoff zugeführt und an einem gegenüber- liegenden Ende abgebrannter Brennstoff mit oder ohne teilabgebrannten Brennstoff abgezogen werden soll. Die Neutronenabsorptionskörper werden dann typischerweise in einer Anordnung gehalten, die geeignet ist, eine maximale Neutronenabsorption in einem Bereich unmittelbar an oder nahe einem Teil des Reaktorkerns zu bewir- ken, wo der den Reaktor durchlaufende Brennstoff maximale oder nahezu maximale Neutronenflussleistung erreicht, und eine abnehmende oder Null-Neutronenabsorption in an Kernbereiche angrenzenden Bereichen zu bewirken, wo die Brennstoffaktivität bereits reduziert ist. Der erfindungsgemäße Reaktor ist somit in einer bevorzugten Ausführungsform ein Kugelschüttungs- oder Kugelhaufenreaktor .
Bei einem gegebenen Reaktor hängt das Niveau (in Rela- tion zum Reaktorkern) , auf dem eine Änderung vom maximalen Absorptionseffekt zu einem weniger absorbierenden oder Null-Absorptionseffekt stattfinden sollte, wei- testgehend davon ab, wie dem Reaktor Brennstoff zugeführt wird. Vorzugsweise soll die Anordnung eine maxi- male Absorption in einem Bereich unmittelbar an oder nahe der oberen Hälfte des Reaktorkerns und eine verminderte oder Null-Absorption in einem Bereich bewirken, wo die Leistung des nicht vergifteten Kerns etwa die Hälfte bis ein Drittel des Bereichs mit maximaler Leistung beträgt . Genauer gesagt beginnt der Bereich mit verminderter oder Null-Absorptionswirkung auf einem Niveau nicht unter 1/10 der Gesamtkernhöhe über dem Bodenreflektorbereich des Reaktors.
Wenn es sich um einen Reaktor mit Mehrfachbrennstoff - durchsatz handelt, liegt der Bereich maximaler Leistung des Kerns in der Regel auf einem Niveau zwischen 50 % und 70 % der Gesamtkernhöhe und der Teil der Anordnung mit maximalem Absorptionseffekt erstreckt sich nach unten auf ein Niveau nicht unter 30 % der Gesamtkernhöhe über dem Bodenreflektorbereich des Reaktors. Wenn es sich hingegen um einen Reaktor mit Einwegbeschickung (OTTO) handelt, befindet sich der Bereich maximaler Leistung des Kerns in der Regel auf einem Niveau zwischen 66 % und 75 % der Gesamtkernhöhe, wobei sich der Bereich der Anordnung mit maximalem Absorptionseffekt nach unten auf ein Niveau nicht unter 40 % der Gesamtkernhöhe über dem Bodenreflektorbereich des Reaktors erstreckt . Genauer gesagt erstreckt sich der Bereich der Anordnung mit maximalem Absorptionseffekt nach unten auf ein Niveau nicht unter 50 % der Gesamtreaktorhöhe über dem Bodenreflektorbereich des Reaktors .
Es ist vorgesehen, dass Bereiche der Anordnung mit maximalem Absorptionseffekt diejenigen Bereiche sein werden, wo die Neutronenabsorptionskörper als Teil der Anordnung bei normaler Funktionsweise des Reaktors die größte Fläche des Neutronenabsorptionsoberflächenbe- reichs zum Reaktorkern hin aufweisen, während Teile der Anordnung mit vermindertem oder Null-Absorptionseffekt diejenigen Teile sein werden, wo die Neutronenabsorptionskörper eine größere Fläche des schwächer Neutronen absorbierenden oder nicht absorbierenden oder reflek- tierenden Oberflächenbereichs zum Kern hin aufweisen. Im Sinne der Erfindung wird die Ausrichtung der Neutronenabsorptionskörper in Relation zum Kern natürlich auch durch Drehbewegung der Körper zwischen den beiden Extremausrichtungen für maximale und minimale Neutro- nenabsorption gesteuert.
Die Erfindung ist von besonderem Nutzen in Reaktoren, wo die Energieleistung des Kerns direkt zum Betrieb von Heliumturbinen oder Turbinen mit anderen gasförmigen Medien benutzt wird, bei denen hohe Ausgangstemperaturen benötigt werden. In Reaktorsystemen neueren Typs kann die Dosierung oder Konzentration schneller Neutronen, die auf die Reflektorinnenwand auftreffen, auf Werte über 1,5 x 1022 cm"2 (EDN) ansteigen. Deshalb kann in Anbetracht der vorer- wähnten modernen Temperaturen bis zu 900 °C oder mehr ein Seitenwandreflektor mit durchgehender glatter Oberfläche auch versagen, bevor er die ausgelegte Lebenserwartung von etwa 30 Jahren erreicht hat. Dies wird durch strahlungsbedingte Graphitvolumenänderungen ver- ursacht, die in zwei Phasen ablaufen. In der ersten Phase führt die Neutronenbestrahlung zu einer unproblematischen Volumenkontraktion. Während der zweiten Phase vergrößert sich das Volumen wieder, überschreitet dabei möglicherweise die ursprünglichen Abmessungen und führt zu Spannungsbelastungen, die den Reflektor beschädigen. Um dieses Problem zu mindern oder zu überwinden, sind die nach innen weisende Oberfläche des Reflektors und die entsprechenden Oberflächen der Graphitblöcke oder - steine erfindungsgemäß vorzugsweise in einer Weise ge- rieft, die bekanntermaßen von sich aus solche Maßänderungen ausgleicht, die der Graphit nach längerer intensiver Neutronenbestrahlung erfährt.
Im Folgenden wird die Erfindung ohne Einschränkung bei- spielhaft mit Bezug auf die Begleitzeichnungen weiter beschrieben. In den Zeichnungen zeigt:
Abbildung 1 schematisch einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäß entwickelten Kernreaktor des modularen HTR-Kugelhaufentyps;
Abbildung 2 schematisch eine Seitenansicht eines nuklearen Absorptionskörpers in einer Ausrichtung für maximale Neutronenabsorption; Abbildung 3 schematisch einen Schnitt bei III-III in Abbildung 2, der den Neutronenabsorptionskörper aus Abbildung 2 in einem Hohlraum in dem zum Reaktorkern hin offenen aktiven Bereich des Reaktors darstellt;
Abbildung 4 schematisch eine Teilansicht des in Abbildung 2 dargestellten, an einen Antrieb gekoppelten und am oberen Ende einer schiefen Spiralebene gehaltenen Neutronenabsorptionskörpers in seiner Ausrichtung für normale Funktionsweise des Reaktors;
Abbildung 5 schematisch eine dreidimensionale Teilansicht eines Teils eines Reflektors mit Ausbildung eines Längshohlraums zur beweglichen Aufnahme eines Neutro- nenabsorptionskörpers, wobei der Reflektor aus Graphitblöcken gebildet und der Hohlraum zum Reaktorkern hin offen ist; und
Abbildung 6 schematisch einen transversalen Querschnitt eines Teils eines Reflektors für einen Kernreaktor, wobei der Schnitt durch einen Neutronenabsorptionskörper verläuft, der in einem im Reflektor ausgebildeten Hohlraum beweglich untergebracht ist, sowie durch ein Brennelement im Reaktorkern.
Mit Bezug auf die Zeichnungen bezeichnet die Bezugszahl 30 allgemein einen für den Einsatz gemäß der vorliegenden Erfindung modifizierten und entwickelten Kugelhaufen (Kugelbrennstoffschüttungs) -HTR-Reaktor des MODUL-HTR-Ty s. Der Reaktor 30 schließt einen bis zu einem konischen oberen Niveau 34 mit geschüttetem Brennstoff gefüllten Reaktorkern 32 ein. Die Bezugszahl 36 bezeichnet einen Reflektor aus hochreinem Graphit im Bereich seiner Innenfläche und aus Graphit niedrigerer Güte in seinem äußeren Bereich. Der Kern 32 und der Reflektor 36 sind von einem Reaktorstahlgefäß oder Druckgefäß 38 in Verbindung mit einem Anschluss- rohr 40 zur Lieferung von Kühlgas wie beispielsweise Helium zum Kern 32 umschlossen. Die Bezugszahl 42 bezeichnet allgemein einen Brennstoffeinlass und Bezugs- zahl 44 einen durch einen Auslassregler 46 gesteuerten Brennstoffauslass . Ein unterer Bereich des Reflektors ist mit der Bezugszahl 48 bezeichnet.
Der Reaktor 30 schließt ein Steuerungssystem zum Regeln und wahlweisen Abschalten der Leistung des Kernreaktors ein. Mit Bezug auf die Abbildungen 2 bis 4 schließt das Steuerungssystem Neutronenabsorptionskörper 52 ein, die in im Reflektor 36 ausgebildeten Hohlräumen 50 beweglich untergebracht sind. Jeder Neutronenabsorptions- körper 52 in der gezeigten Ausführungsform hat einen Neutronenabsorptionsoberflächenbereich 54 und einen Neutronen reflektierenden Oberflächenbereich 56. Der Neutronenabsorptionsoberflächenbereich kann aus Borkarbid, Hafniumkarbid oder einem anderen geeigneten Neutronenabsorptionsmaterial sein. Der Neutronen reflektierende Oberflächenbereich kann aus Graphit oder einem anderen geeigneten Neutronen reflektierenden Material sein. Vorzugsweise enthält der Neutronenabsorptionskörper 52 keine tragenden Metallteile.
Der Grad der Neutronenabsorption oder Nichtabsorption und/oder Neutronenreflektion durch den Neutronenabsorptionskörper 52 wird gesteuert durch Steuerung der Ausrichtung des Absorptionskörpers in Relation zum Reak- torkern 32 zwischen einer Extremausrichtung für maximale Absorption (in Abbildung 2 und 3 gezeigt) , bei der der Neutronen absorbierende Oberflächenbereich 54 dem Neutronenfluss aus dem Reaktorkern 32 maximal ausgesetzt ist, und einer anderen Extremausrichtung (in Ab- bildung 4 gezeigt) für minimale oder keine Neutronenabsorption und/oder für Neutronenreflektion, bei der der Neutronen reflektierende Oberflächenbereich 56 dem Neutronenfluss ausgesetzt ist .
Bezugszahl 58 bezeichnet einen an den Neutronenabsorp- tionskörper 52 gekoppelten Antrieb zur Steuerung der Ausrichtung des Körpers 52 durch Drehbewegung des Körpers zwischen seinen beiden Extremausrichtungen. So dreht der Antrieb 58 den Körper 52 innerhalb des Hohlraums 50 so dass ein Bereich von Ausrichtungen der Neutronen absorbierenden und Neutronen reflektierenden Oberflächenbereiche 54, 56 relativ zum Reaktorkern 32 erzielt werden kann, wie er zur Regelung des Betriebs des Reaktors 30 erforderlich ist.
Der Antrieb 58 ist mittels einer elektromagnetischen Kupplung (nicht gezeigt) an den Körper 52 gekoppelt. Während Normalbetrieb des Reaktors 30 wird der Körper 52 am oberen Ende einer mit der Bezugszahl 80 bezeichneten schiefen Spiralebene (Auflagerschnecke) gehalten. Die Bezugszahl 82 bezeichnet einen Anschlag oder eine ergänzende Auflagerfläche, die mit der schiefen Ebene 80 zusammenwirkt. Sofern er nicht durch die elektromagnetische Kupplung, die den Körper 52 an den Antrieb 58 koppelt, daran gehindert wird, bewegt sich der Körper 52 unter Gravitation, wobei sich die Auflagerfläche 82 auf der schiefen Ebene 80 abwärts bewegt und dabei rotiert . So wird im Falle einer Betriebsstörung des Reaktors 30 infolge beispielsweise eines Stromausfalls der Reaktor durch automatisches Absenken der Neutronenabsorptionskörper 52 in ihre Abschaltpositionen für maximales Neutronenflussabsorptionsvermögen abgeschaltet .
In Abbildung 2 und 3 wird der Neutronenabsorptionskör- per 52 in seiner Abschaltposition gezeigt, nachdem er sich auf der Auflagerschnecke 80 nach unten bewegt hat. In der in den Zeichnungen gezeigten und vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird der Absorptionskörper 52 unter normalen Betriebsbedingungen am oberen Ende der Auflagerschnecke 80 mittels einer elektromag- netischen Kupplung gehalten. Andere Haltevorrichtungen oder Verfahren zur Ausübung einer Rückhaltekraft auf den Anschlag oder die Auflagerfläche 82, um diese am oberen Ende der Auflagerschnecke 80 zu halten, fallen in den Schutzumfang der Erfindung. Solche Mittel werden für eine automatische Freigabe bei Stromausfall konfiguriert .
Wie in Abbildung 1 gezeigt, befindet sich der Antrieb 58 außerhalb des Druckgefäßes 38 des Reaktors, um Wartungsarbeiten zu erleichtern. In anderen Ausführungsformen der Erfindung (nicht gezeigt) befindet sich der Antrieb im Druckgefäß.
Mit Bezug auf Abbildung 5 und 6 wird nunmehr eine Aus- führungsform eines Reflektors 36 gezeigt, in welcher der Neutronenabsorptionskörper 52 in Bereichen hoher Kernaktivität durch Verwendung mindestens eines Hohlraums 50, der teilweise zum Kern 32 hin offen ist, verstärkt dem Neutronenfluss ausgesetzt ist. In der in diesen Abbildungen gezeigten Ausführungsform ist ein einziger Längsschlitz 74 entlang eines Teils der Länge jedes Hohlraums 50 ausgebildet. Der Schlitz 74 verläuft parallel zur Reaktorkernachse und erstreckt sich vom Kernbereich rückwärtig durch den Hohlraum 50. Zwei ein- ander gegenüberliegende Graphitsteine oder -blocke 76 sind so geformt und dimensioniert, dass zwischen ihnen ein Teil des Schlitzes 74 und der Hohlraum 50 ausgebildet ist. Wie aus Abbildung 6 ersichtlich, ist der Schlitz 74 so geformt und dimensioniert, dass der Neutronenabsorptionskörper 52 im Hohlraum 50 gefangen gehalten wird, genauer gesagt so, dass Brennstoffku- geln 78 (im Falle eines Kugelhaufenreaktors) nicht in den Hohlraum gelangen können. Zwischen dem Körper 52 und dem Reaktorkern 32 kann ein Abstand von 20 mm erreicht werden.
Die Steine oder Blöcke 76 in Abbildung 5 und 6 bilden einen Schlitz aus, der über die gesamte vertikale Länge eines jeden Steins oder Blocks verläuft. In anderen Ausführungsformen der Erfindung (nicht gezeigt) können den Reflektor bildende Graphitsteine oder -blocke jedoch je einen diskreten Schlitz aufweisen, so dass ein vertikaler Stapel Steine oder Blöcke eine Folge von diskreten nacheinander angeordneten Schlitzen ausbildet, die sich zu einem bestimmten Hohlraum 50 hin öff- nen.
Die kernseitigen Oberflächen 77 der Steine oder Blöcke 76 sind gerieft, um die Maßänderungen, die Graphit nach längerer intensiver Neutronenbestrahlung er- fährt, zu kompensieren.
Obwohl in den Zeichnungen nicht gezeigt, sind in bestimmten Ausführungsformen von Neutronenabsorptionskörpern, die für erhöhtes Absorptionsvermögen konzipiert sind, Flächen vergrößernde Oberflächenkonfigurationen (z.B. wellenförmige Muster abwechselnd erhabener und vertiefter Bereiche) auf die Neutronenabsorptionsoberflächen 54 der Körper aufgebracht.
Konventionelle MODUL-HTR-Reaktoren wurden bisher durch ein erstes Abschalt- und Regelsystem mit Metall- und gekapselten Neutronenabsorberstäben und ein zweites Abschaltsystem geregelt, das vollständig mit kleinen Absorberkugeln (KLAKs) arbeitete. Gemäß der vorliegen- den Erfindung wird das erste Abschalt- und Regelsystem und/oder das zweite Abschaltsystem durch das vorstehend beschriebene Steuerungssystem ersetzt oder ergänzt.
Die nachfolgenden Ansprüche sind Bestandteil der vor- liegenden Offenlegung.
Der Begriff "umfassend" mit seinen verschiedenen grammatikalischen Varianten ist bei Gebrauch in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen in seinem nicht restriktiven Sinn als "einschließlich" auszulegen, so dass Merkmale oder Punkte, auf die nicht ausdrücklich Bezug genommen wird, dennoch neben den ausdrücklich erwähnten Merkmalen und Punkten eingeschlossen sein können.
In den Ansprüchen aufgeführte (auf die Zeichnungen verweisende) Bezugszahlen dienen zur leichteren Korrelation der ganzen Zahlen der Ansprüche mit veranschaulichten Merkmalen der bevorzugten Ausführungsform (en) , sollen jedoch nicht den Wortlaut der Ansprüche in irgendeiner Weise auf das beschränken, was in den Zeichnungen gezeigt ist, sofern sich aus dem Kontext nichts eindeutig Gegenteiliges ergibt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zum Regeln und wahlweisen Abschalten der Leistung eines Kernreaktors (30) mittels eines oder mehrerer Neutronenabsorptionskörper oder -teilkör- per (54, 56), die in einem Hohlraum (50) oder Hohlräumen des aktiven Bereichs des Reaktors beweglich untergebracht sind, wobei zusätzlich zu dem einen oder zu mehreren Neutronenabsorptionskörpern oder -teilkδrpern (54, 56) in dem Hohlraum oder den Hohlräumen ein oder mehrere weitere Körper oder
Teilkörper (54, 56) mit Eigenschaften von schwach Neutronen absorbierend zu nicht absorbierend bis Neutronen reflektierend untergebracht sind und besagte Körper oder Teilkörper und weitere Körper oder Teilkörper in Relation zueinander und/oder zum
Reaktorkern (32) bewegt werden, um den vom Kern bereitgestellten Neutronenfluss durch Einstellbedingungen zu steuern, die von maximaler Neutronenabsorption bis zu minimaler Neutronenabsorption oder maximaler Neutronenreflektion reichen.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei beide Arten von Körpern oder Teilkörpern (54, 56) in Relation zueinander drehbar bewegt werden.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2 , wobei beide Arten von Körpern oder Teilkörpern (54, 56) als integrierte Einheiten bewegt werden.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei beide Arten von Körpern oder Teilkörpern (54, 56) zu einem einzigen integralen Körper (52) oder Körpern zusammengefügt werden.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4 zum Regeln und wahlweisen Abschalten der Leistung eines Kernreaktors (30) in dem Maße, wie ein oder mehrere Neutronenabsorptionskörper einem vom Kern (32) des Reaktors er- zeugten Neutronenfluss ausgesetzt sind, um über einen Neutronenabsorptionskörper (52) mit einem Neutronenabsorptionsoberflächenbereich (54) und einem weiteren Oberflächenbereich (56) , der schwächer Neutronen absorbierend bis nicht absorbierend oder Neutronen reflektierend ist, Neutronen zu absorbieren, wobei der Grad der Neutronenabsorption oder Nichtabsorption und der Neutronenreflektion gesteuert wird durch Steuerung der Ausrichtung des Absorptionskörpers in Relation zum Reaktorkern zwi- sehen einer Extremausrichtung für maximale Absorption, bei der der Neutronen absorbierende Oberflächenbereich dem Neutronenfluss maximal ausgesetzt ist, und einer weiteren Extremausrichtung für minimale oder keine Neutronenabsorption und/oder für Neutronenreflektion, bei der der schwächer Neutronen absorbierende oder nicht absorbierende oder reflektierende Bereich derart exponiert ist.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, durchgeführt mit einem Neutronenabsorptionskörper (52), wobei die Ausrichtung des Neutronenabsorptionskörpers durch dessen Drehbewegung zwischen zwei Extremausrichtungen gesteuert wird.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Hohlraum (50) oder Hohlräume zum Reaktorkern (32) hin offen ist/sind und ein Bereich oder Bereiche der Körper direkt dem Reaktorkern ausgesetzt ist (sind) .
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei sich der/die Neutronenabsorptionskörper (52) auf einer Schräge befinden, um sich im Falle einer Energieunterbrechung oder sonstigen Betriebsstörung automatisch in eine Ausrichtung für maximale
Neutronenabsorption zu bewegen.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei der/die Neutronenabsorptionskörper (52) durch Gravitation in einer solchen Schräge ist/sind.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Ausrichtung des/der Absorptionskörper (s) (52) und ggf . weiterer Körper durch von außerhalb des Druckkörpers (38) des Reaktors (30) betätigte Mittel gesteuert wird.
11. Steuerungssystem zum Regeln und wahlweisen Abschalten der Leistung eines Kernreaktors (30), ein- schließlich eines oder mehrerer Neutronenabsorpti- onskörper(s) oder -teilkörper (54, 56), die in einem Hohlraum (50) oder Hohlräumen im aktiven Bereich des Reaktors beweglich untergebracht und geeignet sind, in Relation zueinander und/oder zum Reaktorkern (32) bewegt zu werden, um den vom Kern bereitgestellten Neutronenfluss durch Einstellen von Bedingungen zu steuern, die von maximaler Neutronenabsorption bis zu minimaler Neutronenabsorption und/oder Neutronenreflektion reichen.
12. Steuerungssystem gemäß Anspruch 11, wobei beide Arten von Körpern oder Teilkörpern (54, 56) in Relation zueinander drehbar bewegt werden können.
13. Steuerungssystem gemäß Anspruch 11 oder Anspruch 12, wobei beide Arten von Körpern oder Teilkörpern (54, 56) als integrierte Einheiten bewegt werden können .
14. Steuerungssystem gemäß Anspruch 13, wobei beide Arten von Körpern oder Teilkörpern (54, 56) zu integrierten Einzelkörpern (52) zusammengefügt werden.
15. Steuerungssystem gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14 zum Regeln und wahlweisen Abschalten der Leistung eines Kernreaktors (30) in dem Maße, wie ein oder mehrere Neutronenabsorptionskörper einem vom Kern (32) des Reaktors erzeugten Neutronenfluss ausgesetzt sind, um Neutronen zu absorbieren, einschließlich eines Neutronensorptionskörpers (52) mit einem Neutronenabsorptionsoberflächenbereich (54) und einem weiteren Oberflächenbereich (56), der schwächer Neutronen absorbierend bis nicht absorbierend und/oder Neutronen reflektierend ist, wobei der Grad der Neutronenabsorption gesteuert wird durch Steuerung der Ausrichtung des Absorptionskörpers in Relation zum Reaktorkern zwischen einer Extremausrichtung für maximale Absorption, bei der der Neutronen absorbierende Oberflächenbereich dem Neutronenfluss maximal ausgesetzt ist, und einer anderen Extremausrichtung für minimale oder keine Neutronenabsorption und/oder Neutronen- reflektion, bei der der schwächer Neutronen absorbierende oder nicht absorbierende oder reflektierende Bereich derart exponiert ist .
16. Steuerungssystem gemäß Anspruch 15 einschließlich eines Neutronenabsorptionskörpers (52), bei dem die
Ausrichtung des Neutronenabsorptionskörpers durch dessen Drehbewegung zwischen den beiden Extremausrichtungen gesteuert wird.
17. Steuerungssystem gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei der Hohlraum (50) oder Hohlräume zum
Reaktorkern (32) hin offen ist/sind und ein Bereich oder Bereiche der Körper direkt dem Reaktorkern ausgesetzt ist/sind.
18. Steuerungssystem gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei sich der/die Neutronenabsorptionskörper (52) auf einer Schräge befinden, um sich im Falle einer Energieunterbrechung oder sonstigen Betriebsstörung automatisch in eine Ausrichtung für maxi- male Neutronenabsorption zu bewegen.
19. Steuerungssystem gemäß Anspruch 18, wobei der/die Neutronenabsorptionskörper (52) sich durch Gravitation auf der Schräge / den Schrägen abwärts be- wegt (bewegen) und dabei in die Ausrichtung für maximale Neutronenabsorption rotiert (rotieren) .
20. Steuerungssystem gemäß einem der Ansprüche 11 bis 19, wobei die Ausrichtung des/der Absorptionskör- per(s) (52) und ggf. weiterer Körper durch von außerhalb des Druckkörpers (38) des Reaktors (30) betätigte Mittel gesteuert wird.
21. Steuerungssystem gemäß einem der Ansprüche 11 bis 20, wobei der Hohlraum (50) oder Hohlräume im
Reflektor (36) eines Kernreaktors vorwiegend nahe seiner Innenperipherie vorgesehen ist/sind.
22. Kernreaktor (30) umfassend ein Steuerungssystem ge- maß einem der Ansprüche 11 bis 21.
23. Kernreaktor (30) gemäß Anspruch 22, wobei es sich um einen Hochtemperaturreaktor (HTR) handelt.
24. Kernreaktor (30) gemäß Anspruch 23, wobei es sich um einen Kugelhaufenreaktor handelt .
25. Neutronenabsorptionskörper (52) zum Regeln und wahlweisen Abschalten der Leistung eines Kernreaktors (30) mit einem Neutronen absorbierenden Ober- flächenbereich (54) , wobei ein weiterer Oberflächenbereich (56) schwächer Neutronen absorbierend oder nicht absorbierend und/oder Neutronen reflektierend ist.
26. Neutronenabsorptionskörper (52) gemäß Anspruch 25, wobei der Neutronen absorbierende Oberflächenbereich (54) und der schwächer Neutronen absorbierende oder nicht absorbierende Oberflächenbereich (56) in Relation zueinander axial verschoben sind.
27. Neutronenabsorptionskörper (52) gemäß den Ansprüchen 25 oder 26, wobei der Neutronen absorbierende Oberflächenbereich (56) Neutronen reflektierend ist .
28. Neutronenabsorptionskörper (52) gemäß einem der Ansprüche 25 bis 27, wobei dieser stabförmig ist.
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