DE1191049B - Verfahren zur Erzielung einer gleichmaessigen Leistungsdichte bei gasgekuehlten Kugelhaufen-Hochtemperaturkernreaktoren - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G 21

Deutsche KL: 21g-21/20

Nummer: 1191 049

Aktenzeichen: B 61520 VIII c/21 g

Anmeldetag: 4. März 1961

Auslegetag: 15. April 1965

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzielung einer gleichmäßigen, von der Radialkoordinate unabhängigen Leistungsdichte eines Kugelhaufen-Hochtemperaturreaktors mit in der Achse des zylindrischen Kerns liegenden Einführungs- und Ablaßkanälen für die Beschickung des Kerns mit Brennstoff-, Brutstoff- und Blind-Elementen durch Einstellung einer vorgegebenen statistischen Verteilung dieser Elemente innerhalb der freien Aufschüttung des Kugelhaufens. Kernreaktoren, bei denen der Brennstoff in Form einer Schüttung gleichgestalteter Formkörper, vorzugsweise Kugeln, vorliegt, haben hinsichtlich ihres Aufbaues und ihrer Betriebsbedingungen erhebliche Vorteile. Vielfach sind dort Kugeln aus einem Moderatorstoff (z. B. Graphit) vorgesehen, in die der Brennstoff eingebettet ist.

Bei einem solchen Kernreaktor mit einer gleichmäßigen Formkörperschüttung ergibt sich aus geometrischen Gründen im Zentrum der Schüttung eine größere Neutronendichte als in den Randzonen. Ihr Produkt mit dem makroskopischen örtlichen Spaltquerschnitt ist der örtlichen Leistungsdichte proportional. Zur gleichmäßigen Brennstoffausnutzung und zur Erzielung einer maximalen Gesamtleistung ist aber die Neutronendichte und damit die Leistungsdichte über alle Gebiete der Schüttung möglichst gleichmäßig zu gestalten. Diese Aufgabe soll die vorliegende Erfindung mit besonders einfachen Mitteln lösen. .

Es sind bereits verschiedene Vorschläge gemacht worden, die Neutronendichte im Kern auszugleichen. Diese bekannten Maßnahmen zielen z. B. auf eine Verminderung der Neutronendichte in der Mitte des Reaktorquerschnittes, z. B. durch Einbringen von Absorberelementen. Eine andere bekannte Möglichkeit besteht darin, am Rande des Kerns frischen Brennstoff einzufüllen, so daß dadurch in den Randzonen des Kerns die Neutronendichte angehoben wird. Die letztgenannte Maßnahme ist die am meisten angewendete. Bei diesen Möglichkeiten ist jedoch die radiale Flußverteilung immer noch näherungsweise eine Besselfunktion nullter Ordnung, wobei durch einen Radialreflektor auch am Rand des Kerns der Fluß noch nicht gleich Null ist.

Insbesondere für große Reaktoren ist es daher von Interesse, durch eine willkürliche Radialverteilung des Spaltquerschnittes die Leistungsdichte möglichst von der Radialkoordinate unabhängig zu machen. Das bedeutet aber in allen praktisch vorhandenen Fällen, daß der Spaltquerschnitt gegen den Rand hin größer zu machen ist als in Achsennähe.

Verfahren zur Erzielung einer gleichmäßigen
Leistungsdichte bei gasgekühlten
Kugelhaufen-Hochtemperaturkernreaktoren

Anmelder:

Brown, Boveri & Cie., Aktiengesellschaft,

Mannheim-Käfertal, Boveristr. 22;

Beteiligungs- und Patentverwaltungsgesellschaft mit beschränkter Haftung,

Essen, Altendorfer Str. 103

Als Erfinder benannt:

Dr. rer. nat. Rudolf Schulten, Lützelsachsen

Für Reaktoren mit axial gebündelten Brennstoff-Elementen sind solche Maßnahmen durch variable Brennstoffkonzentration von Element zu Element bekannt. Es gibt aber auch Reaktoren, bei denen eine solche einfache Anordnung nicht möglich ist, z. B. in dem nunmehr betrachteten bekannten Hochtemperaturreaktor mit statistisch eingeschütteten kugelförmigen Brennstoff-Elementen.

Die Erfindung löst die vorstehend geschilderte Aufgabe auf besonders einfache und vorteilhafte Weise dadurch, daß erfindungsgemäß die durch den Ablaßkanal entnommenen Elemente gezählt, aus der ermittelten Zahl die Größe des an der Spitze der Aufschüttung entstandenen Trichters bestimmt und abhängig von dieser Größe nach Maßgabe eines vorberechneten Programms, entsprechend der vorgegebenen Verteilung, entweder Brennstoff- oder Brutstoff- oder Blind-Elemente eingeführt werden.

Für Brennstoff-Elemente ist der Spaltquerschnitt groß und fällt langsam während des Abbrandes ab. Der Spaltquerschnitt der Brutstoff-Elemente ist anfangs null und wächst dann langsam nach Maßgabe des Bruteffektes. Für die Blind-Elemente ist der Spaltquerschnitt null. Das Mischungsverhältnis der drei Elementsorten ist von Fall zu Fall verschieden.

Durch die zentrale Einschüttung von oben bilden die Kugeln oberhalb des Kerns einen Schüttkegel mit leicht ermittelbarem Böschungswinkel. Die auf den voll ausgebildeten Böschungskegel neu anfallenden Kugeln rollen bevorzugt über die Mantelfläche dieses Kegels ab in die Randzone des zylindrischen Kerns.

509 539/280

Zweckmäßigerweise werden daher die mit hohem Spaltquerschnitt behafteten Brennstoff-Elemente nach Maßgabe eines Beschickungsplanes in Zeiten zu gegeben, in denen der Böschungskegel gut aus gebildet ist, d. h. der Böschungswinkel der Auf- schüttung durch Einführung von Blind-Elementen und/oder Brutstoff-Elementen seine maximale oder nahezu maximale Größe hat.

Durch einen in der Achse des zylindrischen Kerns liegenden unteren Ablaßkanal, zu dem sich der Kernboden konisch verjüngt, ist es andererseits möglich, die achsennahen Kugeln bevorzugt abzu lassen. Hierdurch fällt (solange nicht neue Form körper von oben nachgeschüttet werden) während des Ablassens zunächst der obere Böschungskegel zusammen; es bildet sich eine nahezu ebene Oberfläche aus. Ist diese nahezu ebene Gestalt der Ober fläche erreicht, so sollen nach Maßgabe des Be schickungsplanes Formkörper mit geringem Spalt querschnitt, also Blind-Elemente oder Brutstoff- so Elemente oder eine Mischung, zugegeben werden. Solange keine Formkörper abgelassen werden, haben diese Elemente erst wieder den Böschungskegel auf zubauen und werden daher vornehmlich in Achs nähe zur Ruhe kommen. Auf diese Weise gelingt es, wie erwünscht, den Spaltquerschnitt am Rande höher zu machen als in Achsnähe. Beim Durchlauf der Formkörper durch den Kern im Verlaufe des Ab- brandes werden sich diese auf Grund der »Strö mungscharakteristik« in Zonen anhäufen, die die Gestalt von Linsen haben und sich beim Durchlauf nach unten verjüngen.

Geschieht der Durchlauf viel schneller als es dem Abbrand entspricht, d. h. ist der Abbrand pro Durch lauf im Mittel nur klein, so kann durch Wieder- einschütten des größten Teils der abgezogenen Ku geln (und geringer Beimengung frischer Kugeln zum Ersatz des Abbrandes) sowohl eine statistische Ver teilung von Kugeln aller Sorten und Abbrandgrade durch den Kern sowie durch die Maßnahme gemäß der Erfindung auch eine gezielte Verteilung des makroskopischen Spaltquerschnittes erreicht werden. Grundsätzlich kann zur optimalen Brennstoffvertei lung die Entnahme und die Zuführung der Formkör per periodisch in der erforderlichen Reihenfolge durchgeführt werden.

Im Prinzip läßt sich der Aufbau des Schüttkegels auf verschiedene Weise bestimmen, so z. B. elektro- induktiv, durch mehrere Füllstandsanzeiger, durch Messung der Neutronenverteilung u. dgl. m. Am ein- fachsten ist aber davon auszugehen, daß von einer gewissen eingeschütteten Menge an der Schüttkegel stets den maximalen Böschungswinkel hat und dieser Böschungswinkel bei weiterer Zuschüttung von Formkörpern konstant bleibt. Bei einer Schüttung aus gleich großen Kugeln beträgt dieser maximale Böschungswinkel beispielsweise etwa 22°. Die Min destzahl von Kugeln bzw. sonstigen Formkörpern zum Erreichen des Böschungswinkels und die erziel baren Zwischenstadien lassen sich zur Aufstellung eines Beschickungsprogramms (für eine Erstbeschik- kung sowie für Nachbeschickungen) ersichtlich leicht in einem Modellversuch ermitteln. Den Ausgangs punkt für Berechnungen für Nachbeschickungen bildet dann eine Schüttung mit konstantem Bö- schungswinkel. Wird bei einer solchen Schüttung dann von unten z. B. eine vorgegebene Zahl von Kugeln abgelassen, so sinkt der Böschungskegel entsprechend in sich zusammen und kann mit einer gleichen Zahl von Kugeln, die z. B. Brutstoff oder nur reinen Moderatorstoff enthalten, wieder aufgebaut werden, wobei sich diese Kugeln vorwiegend in Achsnähe des zylindrischen Kerns anordnen. Weitere nachgefüllte Kugeln, die z. B. Brennstoff enthalten, verteilen sich dann gleichmäßig über den Reaktorquerschnitt, insgesamt gesehen ergibt sich dann in den Randzonen eine Anreicherung der Brennstoffkugeln.

Soll eine Nachbeschickung des Kerns, in dem zunächst die Schüttung den konstanten Böschungswinkel aufweist, erfolgen, so ist vorerst eine bestimmte Anzahl von Formkörpern nach unten abzulassen. Die abgelassene Menge ist zu bestimmen; dies kann durch Zählen, Wägen usw. erfolgen. Besonders einfach ist hierbei eine Zählvorrichtung vorzusehen, die in den Ablaßkanal einzubauen ist, da solche einfach aufgebaute und leistungsfähige Zähleinrichtungen an sich bekannt sind und sich anderenorts bewährt haben.

Das Zählergebnis bestimmt das nachfolgende Beschickungsprogramm, das sowohl von Hand an Hand einer in der genannten Weise ermittelten Beschikkungstabelle als auch durch ein mechanisches Steuergerät durchgeführt werden kann, wobei dieses Steuergerät entweder selbst wieder von Hand eingestellt oder durch die Zählvorrichtung automatisch gesteuert wird. Als mechanisches Steuergerät, das die Zuführung der Brennstoff-, Brutstoff- und Blind-Elemente aus entsprechenden Vorratsbehältern in den Reaktorkern auslöst, ist dann ein mit dem aus der Beschickungstabelle ersichtlichen Programm versehener Programmspeicher vorzusehen, wie er in ähnlicher Weise z. B. bei Rechenmaschinen usw. bekannt ist. Der Begriff Programmspeicher ist hierbei im weitesten Sinne aufzufassen; es kann sich hier sowohl um ein aus einer sehr geringen Anzahl von Elementen bestehendes mechanisches Gerät (Kurvenkörper, Rechenschieberkonstruktion, Zahnradgetriebe usw.) als auch um einen elektronischen Speicher oder ein sonstiges, an sich bekanntes Gerät handeln.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzielung einer gleichmäßigen, von der Radialkoordinate unabhängigen Leistungsdichte eines Kugelhaufen-Hochtemperaturreaktors mit in der Achse des zylindrischen Kerns liegenden Einführungs- und Ablaßkanälen für die Beschickung des Kerns mit Brennstoff-, Brutstoff- und Blind-Elementen durch Einstellung einer vorgegebenen statistischen Verteilung dieser Elemente innerhalb der freien Aufschüttung des Kugelhaufens, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Ablaßkanal entnommenen Elemente gezählt, aus der ermittelten Zahl die Größe des an der Spitze der Aufschüttung entstandenen Trichters bestimmt und abhängig von dieser Größe nach Maßgabe eines vorberechneten Programms, entsprechend der vorgegebenen Verteilung, entweder Brennstoff- oder Brutstoff- oder Blind-Elemente eingeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoff-Elemente, beispielsweise nach dem Entfernen von ausgebrannten Elementen, erst eingeführt werden, wenn der Böschungswinkel der Aufschüttung durch Einführung von Blind-Elementen und/oder Brutstoff-

Elementen seine maximale oder nahezu maximale Größe hat.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet durch einen mit einem oder mehreren vorgegebenen Beschickungsprogrammen versehenen, die Zuführung der Brennstoff-, Brutstoff- und Blind-Elemente aus entsprechenden Vorratsbehältern und/oder das Ablassen der Formkörper aus dem Kern steuernden Programmspeicher.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1025 535,

1032432, 1033 810, 1034784, 1041609,

1053 682, 1095 959;
Nukleonik, Bd. 1, Heft 8, Oktober 1959, S. 277

bis 286.

509 539/280 4.65 © Bundesdruckerei Berlin