DE2264947C3 - Procedure for shutting down a high temperature nuclear reactor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs; vgl. »Nuclear Engineering and Design«, 7 (1968), 360, rechte Spalte.The invention relates to a method according to the preamble of the patent claim; see »Nuclear Engineering and Design ", 7 (1968), 360, right column.

Für den sicheren Betrieb von Kernreaktoren ist es eine unerläßliche Voraussetzung, daß diese mit absolut sicheren Abschalteinrichtungen versehen sind. Hierzu ist bereits eine große Anzahl von Vorschlägen gemacht worden, die im wesentlichen auf dem Prinzip beruhen. Neutronenabsorber in den neutronenphysikalischen Wirkungsbereich des Reaktors einzubringen. So hat man beispielsweise sogenannte Abschaltstäbe mit Neutronenabsorbern entwickelt und zum Einsatz gebracht, die sowohl willkürlich manuell oder in Störfällen durch automatisches Auslösen der Sicherheitsschaltung (Reaktorschutz) in den Reaktorkern eingebracht werden. For the safe operation of nuclear reactors it is an indispensable prerequisite that they are provided with absolutely safe shutdown devices. A large number of proposals have already been made in this regard, which are essentially based on the principle. Bringing neutron absorbers into the neutron physical area of activity of the reactor. For example, so-called shutdown rods with neutron absorbers have been developed and used, which are inserted into the reactor core either manually or in the event of a malfunction by automatically triggering the safety circuit (reactor protection) .

Bei Hochtemperatur-Reaktoren treten nun zusätzlich technologische Probleme auf, die dadurch bedingt sind, daß die Absorberstäbe in den Reaktorkern selbst eingefahren werden müssen, dessen Betriebstemperaturen im heißesten Bereich zwischen 1000 und 1100^cC liegen. Wird nun ein Abschaltvorgang durch Einfahren von Absorberstäben in den Reaktorkern eingeleitet, so wird zwar die durch Kernspaltung erzeugte Leistung des Reaktors reduziert bzw. unterbrochen, jedoch kommt sodann die sogenannte Nachwärmeproduktion zum Tragen, die sich zusammensetzt aus einem rasch abklingenden Anteil von Spaltungswärme, erzeugt von verzögerten Neutronen, und einem über lange Zeit abklingenden Anteil von Spaltproduktzerfallsenergien. Letzterer ist zufolge der hohen Leistungsdichte insbesondere nach voraufgegangenem längerem Volllastbetrieb noch für mehrere Wochen nach dem Abschalten größer als die Wärmeleistung, die ohne wesentliche Temperatursteigerung zu vorhandenen Wärmesenken hin ohne Zwangskühlung abfließen kann. Ohne geeignete Maßnahmen würden die daraus resultierenden Wärmemengen die Absorberstäbe unzulässig hohen Temperaturen aussetzen, so daß zur Vermeidung einer Zerstörung der Absorberstäbe durch entsprechende Kühlung für hinreichende Abfuhr der Nachwärme gesorgt werden muß. Um hierfür eine ausreichende Sicherheit zu gewährleisten, ist für die Redundanz der Nachwärmeabfuhreinrichtungen ein außerordentlich hoher Aufwand erforderlich. ⁶S In high-temperature reactors now occur in addition to technological problems that are caused by the fact that the absorber rods into the reactor core must be run in itself, whose operating temperatures in heißesten range between 1000 and 1100 ^{° C.} C. If a shutdown process is initiated by moving absorber rods into the reactor core, the reactor power generated by nuclear fission is reduced or interrupted, but what is known as residual heat production then comes into play, which is made up of a rapidly declining proportion of fission heat generated by delayed neutrons, and a proportion of fission product decay energies that decays over a long period of time. Due to the high power density, especially after long periods of full load operation, the latter is still greater than the heat output for several weeks after switching off, which can flow away to existing heat sinks without forced cooling without a significant increase in temperature. Without suitable measures, the resulting amounts of heat would expose the absorber rods to inadmissibly high temperatures, so that adequate cooling must be used to remove the residual heat in order to avoid destruction of the absorber rods. In order to ensure sufficient security for this, an extraordinarily high effort is required for the redundancy of the residual heat removal devices. ⁶ p

Aus Gründen einer möglichst geringen Temperaturbelastung werden bei anderen bekannten Vorschlägen die Absorberstäbe in einem kälteren Teil des Reaktors angeordnet, beispielsweise im Bereich der Kühlgaseiniriusseile des Reaktorkerns oder im Bereich des Seitenreflektors. Zwar ist in diesen Bereichen einerseits die Temperaturbelastung der Absorberstäbe tragbar und andererseits der Neutronenfluß noch ausreichend hoch, um die für die Regelaufgabe geforderte Wirksamkeit der Absorberstäbe zu gewährleisten. Der relativ geringe Reaktivitätsbeitrag dieser Absorberstäbe reicht jedoch nicht aus, um den Reaktor unterkritisch zu machen und auch kaltzufahren. Der Reaktivitätsbeitrag der Abso.-berstäbe beträgt z. B. bei einem JOOMWei-Kugelhaufen-Reaktor bei im Seitenreflektor angeordneten Regelstäben insgesamt ca. Δ k/k = 4%. während für den kaltunterkritischen Zustand dieses Kugelhaufen-Reaktors eine Gesamtreakiivitätsbindung der in den Kern eintauchenden Abschaitstäbe von ca. Δ k/k = 18% vorzusehen ist. Daraus wird deutlich, daß lediglich mit den an und für sich hinsichtlich der Temperaturbelastung günstig angeordneten Absorberstäben ein Abschalten des Reaktors nicht möglich ist. For reasons of the lowest possible temperature load, in other known proposals the absorber rods are arranged in a colder part of the reactor , for example in the area of the cooling gas inlet cables of the reactor core or in the area of the side reflector. It is true that in these areas, on the one hand, the temperature load of the absorber rods is bearable and, on the other hand, the neutron flux is still sufficiently high to ensure the effectiveness of the absorber rods required for the control task. However, the relatively low reactivity contribution of these absorber rods is not sufficient to make the reactor subcritical and also to run it cold. The reactivity contribution of the Abso. B. in a JOOMWei pebble bed reactor with control rods arranged in the side reflector a total of approx. Δ k / k = 4%. while for the cold sub-critical state this pebble-bed reactor k a Gesamtreakiivitätsbindung the immersed into the core Abschaitstäbe k of about Δ / provide = 18%. From this it becomes clear that switching off the reactor is not possible merely with the absorber rods which are in and of themselves favorably arranged with regard to the temperature load.

Ausgehend von dem eingangs vorausgesetzten Verfahren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein inhärent sicher eingeleitetes Abschalten eines Hochtemperatur-Kernreaktors unter Schonung und damit Lebensdauererhöhung der Stäbe durchzuführen. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Maßnahmen. On the basis of the method presupposed at the outset, the invention is based on the object of a inherently safe shutdown of a high-temperature nuclear reactor with care and thus Increase the service life of the rods. The solution to this problem is carried out with the in the characteristic Part of the claim specified measures.

Die Erfindung stellt somit eine vorteilhafte Kombination von Maßnahmen dar, bei der das Abschalten unter Ausnutzung des negativen Temperaturkoeffizienten der Reaktivität mittels dosierter Kühlmittelzufuhr inhärent sicher eingeleitet und der Reaktor durch späteres Einfahren der Abschaltstäbe bei gesteigerter Kühlmittelzufuhr in schonender Weise kaltgefahren werden kann. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen, bei denen durch die vorübergehende Erhöhung der mittleren Reaktorkern-Temperatur eine negative Reaktivität erreicht und somit im Reaktor — abgesehen von dem Einfluß der verzögerten Neutronen — dann keine Leistung durch Spaltung mehr erzeugt wird, ergibt sich für die Einleitung des Abschaltvorgangs insofern eine überraschend einfache Ausführbarkeit, als das Aufheizen des Reaktorkerns mittels der Nachwärme erfolgt, nachdem die Leistungsabfuhr unterbrochen ist. The invention thus represents an advantageous combination of measures in which shutdown is inherently safely initiated using the negative temperature coefficient of reactivity by means of a metered coolant supply and the reactor can be gently shut down by later retracting the shutdown rods with increased coolant supply. The measures according to the invention, in which the temporary increase in the mean reactor core temperature results in a negative reactivity and thus no more power is generated by fission in the reactor - apart from the influence of the delayed neutrons - this results in the initiation of the shutdown process a surprisingly simple implementation, as the heating of the reactor core takes place by means of the residual heat after the power dissipation is interrupted.

Zwar werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens die Stäbe in den heißen Kern eingefahren, jedoch zu einem Zeitpunkt, in dem die anfallende Zerfallswärme gering ist und damit eine Aufheizung des Reaktorkerns bei Ausfall der Kühlmittelzufuhr nur langsam erfolgen kann, so daß in einem derartigen Störfall genügend Zeit gegeben ist, um gegebenenfalls die Stäbe zu ihrem Schutz in ihre Ausgangsposition zurückzufahren. Damit bedeuten die vorgeschlagenen Maßnahmen nicht nur ein sehr sicheres Verfahren, sondern sie trägen auch erheblich zur Schonung der Stäbe bei. Die Erfindung vermeidet somit die bei bekannten Verfahren gegebene, aus hohem Temperaturniveau und gleichzeitig hoher Aufheizgeschwindigkeit resultierende Gefährdung der Absorberstäfae, da zumindest die erste Phase der hohen Nachwärmeproduktion bei ausgefahrenen AbsorberStäben verläuft. So ist die Nachwärmeproduktion im ungünstigsten Falle bereits nach 5 Minuten auf ungefähr die Hälfte des Anfangswerts abgesunken und beträgt nach 30 Minuten mit noch ca. ein Drittel des Anfangswertes.In the process according to the invention, the rods are inserted into the hot core, but at a point in time when the resulting decay heat is low and the reactor core can therefore only be heated slowly if the coolant supply fails, so that there is enough time in such an incident is given in order to move the rods back into their starting position to protect them if necessary. The proposed measures therefore not only mean a very safe process, but they also make a significant contribution to protecting the rods. The invention thus avoids the endangerment of the absorber rods resulting from a high temperature level and, at the same time, a high heating rate, which occurs in known methods, since at least the first phase of the high level of residual heat production takes place when the absorber rods are extended. So the Nachwärmeproduktion the worst case already after 5 minutes is about dropped half of the initial value and one-third after 30 minutes for about the initial value.

Wenngleich im Rahmen des ertindungsgemäBen Verfahrens vorübergehend eine Erhöhung dler mittleren Even if in the context of the method according to the invention, there was a temporary increase in the mean

Reaktorkern-Temperatur stattfindet — bei einem 300 MWci-Kugelhaufen-Reaktor beispielsweise um 250⁰C — so bedeutet dies jedoch für die Brennelemente keineswegs eine besondere Belastung, da die mittlere Temperatur im Brennstoff bei Vollast im angegebenen Beispiel bei etwa 680°C liegt, während die maximale Temperatur im Brennstoff 1250°C beträgt. Wird nun der Reaktor in der erfindungsgemäßen Weise abgeschaltet, so stellt sich zwangsläufig ein Temperaturausgleich im Reaktorkern ein, so daß sich beim Übergang von der Leistungsproduklion zur Nachwürmeabfuhr der in den Brennelementen thermische Spannungen hervorrufende Temperaturgradient in vorteilhafter Weise verringert.Reactor core temperature takes place - in a 300 MWci pebble bed reactor, for example around 250 ⁰ C - but this in no way means a special load for the fuel elements, since the mean temperature in the fuel at full load in the example given is around 680 ° C, while the maximum temperature in the fuel is 1250 ° C. If the reactor is now switched off in the manner according to the invention, a temperature equalization inevitably occurs in the reactor core, so that the temperature gradient causing thermal stresses in the fuel assemblies is advantageously reduced during the transition from power production to afterworm removal.

Die dosierte Nachwärmeabfuhr kann entweder mittels getrennter Wärmeabfuhreinrichtungen durchgeführt werden oder auch mittels der Leistungsabfuhreinrichtungen selbst erreicht werden, indem letztere auf reduzierter Leistung gefahren werden, so da3 in diesem Fall zusätzliche bzw. gesonderte Nachwärmeabfuhreinrichtungen nicht erforderlich sind.The metered removal of residual heat can either be carried out by means of separate heat removal devices or can be achieved by means of the power dissipation devices themselves by the latter on reduced output, so that in this case additional or separate residual heat removal devices are not required.

Claims (1)

Patentanspruch:Claim: Verfahren zum Abschalten eines Hochtemperatur-Kernreaktors mit negativem Temperaturkoeffizienten der Reaktivität, in dessen Verlauf die Kühlmittelzufuhr verändert und neutronenabsorbierende Stäbe in den Reaktorkern eingefahren werden, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst die Kühlmittelzufuhr so vermindert wird, daß '° sich vorübergehend ein erhöhtes Niveau der mittleren Reaktorkern-Temperatur bei unterkritischem Reaktor einstellt, und daß anschließend neutronenabsorbierende Stäbe unter erneuter Steigerung der Kühlmittelzufuhr in den Reaktorkern eingefahren werden.Procedure for shutting down a high temperature nuclear reactor with a negative temperature coefficient the reactivity, in the course of which the coolant supply changes and neutron-absorbing Rods are retracted into the reactor core, characterized in that first the coolant supply is reduced so that '° temporarily an increased level of the mean reactor core temperature at subcritical Reactor stops, and that then neutron-absorbing rods with renewed increase the coolant supply into the reactor core.