DE2265032A1 - High temp reactor - technique for stopping using post generation heat - Google Patents

Abstract

Process for stopping a high temp reactor is initiated by rise of the mean core temp due to post-generation heat. More esp. the take-off of power is first stopped and thereafter metered removal of post generation heat is carried out.

Description

Dipl.-lng. H. Sauerland · Dr.-In.; ^. Kenig · Dipl.-Ing. K. BergenDipl.-Ing. H. Sauerland · Dr.-In .; ^. Kenig · Dipl.-Ing. K. Bergen

Patentanwälte · oodd Odasaldorf 3a Ceci!i3,-iallee 7B · Telefon 43273aPatent Attorneys oodd Odasaldorf 3a Ceci! I3, -iallee 7B Telephone 43273a

24ο April 1975 P 22 17 816.1-33 Tr₀II 29 782 B24ο April 1975 P 22 17 816.1-33 Tr ₀ II 29 782 B

Hochtemperatur-Kernkraftwerk G.m.b.H₀ (HKG) Gemeinsames Europäisches Unternehmen 4701 Uentrop. (Unna)Hoch Temperatur-Kernkraftwerk GmbH ₀ (HKG) Joint European Company 4701 Uentrop. (Unna)

"Verfahren zum zeitweiligen Abschalten eines Hochtemperatur-Kernreaktors""Procedure for the Temporary Shutdown of a High-Temperature Nuclear Reactor"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zeitweiligen Abschalten eines Hochtemperatur-Kernreaktors, in dessen Verlauf die Kühlmittelzufuhr vermindert wird.The invention relates to a method for the temporary shutdown of a high-temperature nuclear reactor, in the course of which the coolant supply is reduced.

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 sämtlich auf dem Prinzip beruhen, in irgendeiner Weise 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 Sieherheitsschaltung (Reaktorschutz) in den Reaktorkern eingebracht werden. Darüber hinaus sind jedoch auch andere Möglichkeiten zum Einbringen neutronenabsorbierender Materialien bekannt, die häufig insbesondere als zusätzliche Abschaltmittel eingesetzt werden, Z₀B₀ das Zugeben von Neutronenabsorbern in flüssiger oder gasförmiger Form, wobei sich der Aggregatzustand in aller Regel- nach der Art des Kühlmittels des Reaktors richtet.For the safe operation of nuclear reactors it is an indispensable prerequisite that they are provided with absolutely safe shutdown devices. To this end, a large number of proposals have already been made, all of which are essentially based on the principle of introducing neutron absorbers into the neutron-physical area of activity of the reactor in some way manually or in the event of a malfunction by automatically triggering the safety circuit (reactor protection) in the reactor core. In addition, however, other possibilities for introducing neutron-absorbing materials are also known, which are often used in particular as additional shutdown means, Z ₀ B ₀ the addition of neutron absorbers in liquid or gaseous form, the state of aggregation generally depending on the type of coolant of the Reactor sets up.

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Diese bekannten Abschaltverfahren werden zwar dem Bedürfnis nach Sicherheit in dem Maße voll gerecht, wie sie durch die Redundanz der Ausführung gegeben ist, jedoch treten bei Hochtemperatur-Reaktoren für größere Leistung und mit dementsprechend hoher Leistungsdichte zusätzlich technologische Probleme auf, die dadurch bedingt sind, daß die Absorberstäbe in den Reaktorkern selbst eingefahren werden müssen, dessen Betriebstemperaturen im heißesten Bereich bereits heute zwischen 1000 und 1100⁰C 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, urxieinem über lange Zeit abklingenden Anteil von Spaltproduktzerfallsenergien. Letzterer ist zufolge der hohen Leistungsdichte insbesondere nach voraufgegangenem längerem Vollastbetrieb noch für mehrere Wochen nach dem Abschalten größer als die Wärmeleistung, die ohne wesentliche Temperatürsteigerung zu vorhandenen Wärmesenken hin ohne Zwangskühlung abfließen kann» Ohne geeignete Maßnahmen wurden die daraus resultierenden Wärmemengen die Abschaltstäbe unzulässig hohen Temperaturen aussetzen, so daß zur Vermeidung einer Schädigung der Abschaltstäbe durch entsprechende Kühlung für hinreichende Abfuhr der Nachwärme gesorgt werden muß. Um hierfür eine ausreichende Sicherheit zu gewährleisten, ist für die Redundanz der Nachwärmeabführeinrichtungen ein außerordentlich hoher Aufwand erforderlicheAlthough these known shutdown methods fully meet the need for safety to the extent that it is given by the redundancy of the design, additional technological problems arise in high-temperature reactors for greater power and with a correspondingly high power density, which are caused by the fact that the absorber rods have to be run into the reactor core itself, the operating temperatures of which are already between 1000 and 1100 ⁰ C in the hottest range , interrupted, but then the so-called residual heat production comes into play, which is composed of a rapidly decaying portion of fission heat generated by delayed neutrons, and a portion 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 shutdown, which can flow to existing heat sinks without any significant increase in temperature so that to avoid damage to the shutdown rods, adequate cooling must be used to dissipate the residual heat. In order to ensure sufficient security for this, an extraordinarily high effort is required for the redundancy of the residual heat removal devices

Zu den zuvor beschriebenen, im Interesse der geforderten Sicherheit unerläßlichen Maßnahmen kommen beiIn addition to the measures described above, which are indispensable in the interests of the required safety, are

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diesen "bekannten Abschaltverfahren noch weitere Nachteile hinzu, die sich insbesondere beim Betrieb des Reaktors auswirken, wobei zu bemerken ist, daß bei der überwiegenden Zahl der Abschaltfälle der Reaktor nach dem Abschaltvorgang schnell wieder angefahren werden soll, weil"die Ursache für die meisten Abschaltfälle sich nämlich innerhalb relativ kurzer Zeit ermitteln und beheben läßt«, Da die Ausfahrgeschwindigkeit der zum Abschalten in den Reaktorkern eingefahrenen Absorberstäbe aus Sicherheitsgründen begrenzt ist, nimmt das Wiederanfahren des Reaktors eine längere Zeit in Anspruch. Außerdem verursacht das Wiederaufheizen des Reaktorkerns nach seinem Herunterkühlen nicht nur einen erheblichen zusätzlichen Zeitverlust beim Wiederanfahren, sondern führt in jedem Fall auch zu nachteiligen Temperaturwechselbeanspruchungen des Kerns und seiner Einbauten.these "known shutdown methods have further disadvantages added, which have an effect in particular in the operation of the reactor, it should be noted that in the majority of shutdown cases, the reactor quickly restarted after the shutdown process should be because "the cause of most shutdowns namely can be determined and rectified within a relatively short time «, as the extension speed the absorber rods retracted into the reactor core for shutdown is limited for safety reasons, it takes a long time to restart the reactor. It also causes reheating of the reactor core after it has cooled down not only a considerable additional loss of time when restarting, but in any case also leads to disadvantageous thermal shock stresses on the core and its internals.

Es sei in diesem Zusammenhang erwähnt, daß aus der Zeitschrift "Nuclear Engineering and Design", Band 7 (1968), Seite 360, Hochtemperatur-Kernreaktoren bekannt sind, die zwar weitere Absorberstäbe für die Leistungsregelung und für die Kompensation der Überschußreaktivität als sogenannte Regelstäbe neben den zuvor erwähnten Absorberstäben für das Abschalten und Kaltfahren des Reaktors (Abschaltstäbe) aufweisen, die ständig im Neutronenfluß arbeiten, jedoch werden diese in der Mittelzone des Reaktorkerns in Führungsrohren eingesetzt, die einerseits im Kugelhaufen ein ständiges Hindernis darstellen und andererseits ein erhebliches konstruktives Problem hinsichtlich der Fjnktionsfähigkeit über eine Reaktorlebensdauer von mindestens 30 Jahren bedeuten, da sie während dieser Zeit Reparaturen praktisch nicht zugänglich sind«, Zwar werden hiermit dieIt should be mentioned in this connection that from the journal "Nuclear Engineering and Design", Volume 7 (1968), Page 360, High Temperature Nuclear Reactors Are Known the more absorber rods for the power control and for the compensation of the excess reactivity as so-called control rods in addition to the previously mentioned absorber rods for switching off and starting the reactor cold (Shutdown rods) that work constantly in the neutron flux, but these are in the central zone of the reactor core is inserted in guide tubes, which on the one hand are a constant obstacle in the pebble bed and, on the other hand, a considerable constructive problem with regard to functionality over a reactor life of at least 30 years mean that repairs are practical during this time are not accessible «

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mechanischen Beanspruchungen herabgesetzt, die Notwendigkeit der Kühlung der Stäbe besteht jedoch auch bei dieser Lösung,mechanical stress is reduced, but the need to cool the rods also exists this solution,

Sowohl wegen der zuvor aufgeführten Nachteile als auch aus Gründen einer möglichst geringen Temperaturbelastung werden bei anderen bekannten Vorschlägen die Regelstäbe in einem kälteren Teil des Reaktors angeordnet, beispielsweise im Bereich der Kühlgaseintrittsseite des Reaktorkerns oder im Bereich des Seitenreflektors„ Zwar ist in diesen Bereichen einerseits die Temperaturbelastung der Regelstäbe tragbar und andererseits der Neutronenfluß noch ausreichend hoch, um die für die Regelaufgabe geforderte Wirksamkeit der Regelstäbe zu gewährleisten. Diese Einrichtungen sindjedoch nicht geeignet, in einfacher Weise eine vorübergehende Abschaltung zu ermöglichen, weil die Ausfahrgeschwindigkeit der Stäbe aus Sicherheitsgründen sehr niedrig ist, so daß der ganze, für kurzfristig zu behebende Störfälle vorgesehene Abschaltvorgang unverhältnismäßig lange dauert»Both because of the disadvantages listed above and for reasons of the lowest possible temperature load in other known proposals, the control rods are arranged in a colder part of the reactor, for example in the area of the cooling gas inlet side of the reactor core or in the area of the side reflector In these areas, on the one hand, the temperature load of the control rods is bearable and, on the other hand, the neutron flux still high enough to guarantee the effectiveness of the control rods required for the control task. However, these devices are not suitable for enabling a temporary shutdown in a simple manner. because the extension speed of the bars is very low for safety reasons, so that the whole, the shutdown process intended for malfunctions to be remedied at short notice takes a disproportionately long time »

In "Energie und Technik", 1969, Seiten 350 bis 356 ist im Rahmen eines Erfahrungsberichtes eine Störfallsimulierung eines Versuchsreaktors mit negativem Temperaturkoeffizienten der Reaktivität beschrieben, bei der nach Abschalten der Kühlmittelzufuhr keine weitere Kühlung erfolgte. Dadurch sollte der Einfluß des Ausfalls der Kühlgasgebläse auf die Reaktorleistung untersucht werden. Das hiermit verbundene Verhalten des Reaktors in irgendeiner Weise für einen Abschaltvorgang nutzbar zu machen, kann aus diesem Bericht in keiner Weise geschlossen werden, da im Rahmen der dort beschriebenen Störfallsimulierung der Reaktor nicht abgeschaltet, sondern die Leistung lediglich reduziert wurde.In "Energie und Technik", 1969, pages 350-356 is As part of an experience report, an accident simulation of a test reactor with a negative temperature coefficient the reactivity described, in which no further cooling after switching off the coolant supply took place. The aim was to investigate the influence of the failure of the cooling gas fan on the reactor performance will. The associated behavior of the reactor can be used in any way for a shutdown process to make, can in no way be inferred from this report, as in the context of the there described Accident simulation the reactor was not shut down, but the power was merely reduced.

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Zusammenfassend ergibt sich, daß man bisher bei sämtlichen Abschaltverfahren davon ausgegangen ist, Stäbe einzufahren und den Reaktorkern herunterzukühlen«, Es wurde also für jeden noch so geringen Störfall die Notwendigkeit angenommen, die negative Reaktivität ausschließlich durch Einfahren der Stäbe einbringen zu müssen und den Reaktor auf den kalt-unterkritischen Zustand zu bringen, so daß der gesamte für - auch geringfügige - Störfälle vorgesehene Abschaltvorgang unverhältnismäßig lange dauert und mit den beim Abkühlen und Wiederaufheizen in den Reaktoreinbauten und Dampferzeugern auftretenden Wärmebewegungen erhebliche Nachteile verbunden sind, die sich insbesondere in die Lebensdauer negativ beeinflussenden Wärmespannungen und Wechselbeanspruchungen der Materialien äußern«, Darüber hinaus erfordert bei den bekannten Abschaltverfahren die zuverlässige Abkühlung des Reaktorkerns auch einen erheblichen Aufwand für die redundante Auslegung der Nachwärmeabfuhreinrichtungen, der nicht nur entsprechende Kosten verursacht sondern vor allen Dingen auch zu einer größeren Kompliziertheit führt.In summary, it can be seen that so far all Shutdown procedure assumes retracting rods and cooling down the reactor core ”, Es Thus, for every incident, no matter how minor, the necessity was assumed, the negative reactivity only to have to bring in the rods by retracting and the reactor to the cold subcritical To bring state, so that the entire shutdown process provided for - even minor - accidents takes disproportionately long and with the cooling and reheating in the reactor internals and Steam generators occurring heat movements are associated with considerable disadvantages, which are particularly in the Lifetime negatively influencing thermal stresses and Expressing alternating stresses on the materials «, About In addition, with the known shutdown methods, the reliable cooling of the reactor core also requires one considerable effort for the redundant design of the residual heat removal devices, which is not only appropriate It causes costs but, above all, leads to greater complexity.

Es wäre daher von erheblichem Vorteil, wenn es für das Abschalten eines Hochtemperatur-Kernreaktors die Möglichkeit gäbe, ohne Beeinträchtigung der Sicherheit den Einsatz aufwendiger Sicherheitseinrichtungen und Wiederanfahrzeiten dann einzusparen, wenn nur ein zeitweiliges Abschalten erforderlich ist„It would therefore be of considerable advantage if there was the possibility of shutting down a high temperature nuclear reactor there would be the use of complex safety devices without compromising security Saving restart times when only a temporary shutdown is required "

Ausgehend von dem sich aus der erwähnten Literaturstelle in "Energie und Technik" ergebenden Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrundej ein temperaturmäßig schonendes und inhärent sicheres Verfahren zum vorübergehenden Abschalten eines Hochtemperatur-Kernreaktors vorzuschlagen. Diese Aufgabe wird beiBased on the state of the art resulting from the cited reference in "Energy and Technology" The invention is therefore based on the object in terms of temperature Gentle and inherently safe method of temporarily shutting down a high temperature nuclear reactor to propose. This task is carried out at

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einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zunächst die Regelstäbe um einen Teilbetrag - vorzugsweise um ca» Δ k/k = 0,5% eingefahren werden und die mittlere Reaktorkern-Temperatur dann durch dosierte Nachwärmeabfuhr auf dem Betriebswert gehalten wird.a method of the type mentioned above achieved according to the invention in that first of all the control rods by a partial amount - preferably approximately "Δ k / k = retract 0.5% and the average reactor core temperature is then maintained through controlled heat removal on the operation value.

Da beim erfindungsgemäßen Verfahren der negative Temperaturkoeffizient der Reaktivität als maßgebliche Einflußgröße in den Abschaltvorgang eingebaut wird, ergibt sich ein inhärent sicherer Abschaltzustand. Insbesondere ist mit diesem Verfahren der Vorteil verbunden, daß die Stäbe geschont werden und damit ihre Lebensdauer erheblich erhöht wird.Since in the method according to the invention, the negative temperature coefficient the reactivity is built into the shutdown process as a decisive influencing factor an inherently safe shutdown state. In particular, this method has the advantage that the Rods are spared and thus their service life is increased significantly.

Auch bei dem mit der Stammanmeldung P 22 17 816.1-33 (Stammpatent „ „.. ... ) vorgeschlagenen Abschaltverfahren befindet sich der Reaktor durch dosierte Nachwärmeabfuhr im heiß-unterkritischen Zustand, wobei allerdings die mittlere Reaktorkern-Temperatur auf einem erhöhten Niveau gehalten wird. Das vorliegende Verfahren empfiehlt sich insbesondere dann, wenn ein Überschreiten der betrieblichen Durchschnittstemperaturen während des Abschaltvorgangs nicht erwünscht ist. Da das Einfahren der Regelstäbe eine Erniedrigung der dem kritischen Zustand entsprechenden mittleren Reaktorkern-Temperatur bedeutet, kann der Reaktor aufgrund des erfindungsgemäß nach dem teilweisen Einfahren der Regelstäbe vorgeschlagenen Verbleibens auf Betriebstemperatur im unterkritischen Zustand gehalten werden.Also with the parent application P 22 17 816.1-33 (Master patent "" .. ...) proposed shutdown procedure the reactor is in the hot subcritical state due to the dosed removal of residual heat, whereby however, the mean reactor core temperature is kept at an elevated level. The present The procedure is particularly recommended when the average operating temperatures are exceeded is not desired during the shutdown process. Since the retraction of the control rods a degradation of the means the mean reactor core temperature corresponding to the critical state, the reactor can due to the proposed according to the invention after the partial retraction of the control rods to remain at operating temperature be kept in the subcritical state.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt daher bei der Lösung der mit bekannten Verfahren verbundenen Probleme eine vorzügliche Ergänzung zum Vorschlag gemäß derThe method according to the invention therefore poses in solving the problems associated with known methods an excellent addition to the proposal according to the

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Stammanmeldung (Stammpatent) mit auf den Betriebswert limitierten Temperaturniveau dar und bietet gegenüber bisher bekannten Vorschlägen in vieler Hinsicht erhebliche Vorteile«, Abgesehen davon, daß das hier vorgeschlagene Verfahren aufgrund der physikalischen Zusammenhänge nicht nur inhärent sicher ist, werden die Abschaltstäbe auch keinerlei Temperaturbeanspruchungen unterworfen, da sie in ausgefahrener Position verbleiben,. Darüber hinaus werden bei den vorgeschlagenen, vorübergehenden Abschaltvorgängen die üblicherweise mit dem Wiederanfahren verbundenen Zeitverluste vermieden, da für diese Fälle das Ziehen der Abschaltstäbe sowie das Wiederaufheizen des Reaktors entfällt. Damit ist weiterhin verbunden, daß die erheblichen Wärmewechselbeanspruchungen· des Reaktors und seiner Einbauten vermindert werden; das Verfahren ist außerdem von besonderer Bedeutung für die Abschaltstäbe als temperaturempfindlichste Elemente eines Hochtemperatur-Reaktorkerns.Master registration (master patent) with on the business value limited temperature level and offers significant compared to previously known proposals in many respects Advantages «Apart from the fact that the procedure proposed here is due to the physical relationships Not only are the shutdown bars inherently safe also not subjected to any temperature loads, since they remain in the extended position. About that In addition, with the proposed, temporary shutdown processes, the ones that usually occur with restarting The associated loss of time avoided, as in these cases pulling the shut-off rods and reheating of the reactor is omitted. This is also associated with the fact that the considerable thermal cycling loads · des Reactor and its internals are reduced; the procedure is also of particular importance to the Shutdown rods as the most temperature-sensitive elements of a high-temperature reactor core.

Die dosierte Nachwärmeabfuhr kann entweder mittels getrennter Wärmeabfuhreinrichtungen durchgeführt oder auch mittels der Leistungsabfuhreinrichtungen selbst erreicht werden, indem letztere auf reduzierter Leistung gefahren werden, so daß in diesem Fall zusätzliche bzw. gesonderte Nachwärmeabfuhreinrichtungen nicht erforderlich sind«, Da das Abschalten der Leistungsabfuhr mittels Gebläsen und/oder Absperrorganen durchgeführt wird und somit eine Maßnahme darstellt, die ohne nennenswerte Verzögerung durchgeführt werden kann, gibt das erfindungsgemäße Verfahren in jedem Fall die Möglichkeit, entweder bei Störungen unverzüglich zu reagieren, oder willkürlich ein schnelles, betrieblich beabsichtigtes vorübergehendes Abschalten ohne Vorliegen einer Störung einzuleiten, ohne daß damit die eingangs im Zusammenhang mit dem Einfahren von AbschaltstäbenThe dosed residual heat can be removed either by means of separate Heat dissipation devices carried out or by means of the power dissipation devices themselves can be achieved by driving the latter at reduced power, so that additional in this case or separate residual heat removal devices are not required are «, since the power dissipation is switched off by means of fans and / or shut-off devices and thus represents a measure that can be carried out without any appreciable delay method according to the invention in each case the possibility of either reacting immediately in the event of malfunctions, or, arbitrarily, a rapid, operationally intentional shutdown in the absence of any presence to initiate a fault without the initially associated with the retraction of shut-off rods

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aufgezeigten Nachteile verbunden sind_e identified disadvantages are connected _e

Mit den erfindungsgemäßen Verfahrensschritten wird somit die Möglichkeit gegeben, das z.B. bei kleineren, kurzfristig zu behebenden Störungen erforderliche vorübergehende Abschalten in überraschend einfacher Weise durchzuführen, insbesondere ohne die Notwendigkeit des KaItfahrens des Reaktors₀ The method steps according to the invention thus provide the possibility of carrying out the temporary shutdown, which is necessary, for example, in the event of minor malfunctions to be eliminated at short notice, in a surprisingly simple manner, in particular without the need to cool down the reactor ₀

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Claims (1)

Hochtemperatur-Kernkraftwerk G.m.b.H. (HKG) Gemeinsames Europäisches Unternehmen 4701 Uentrop (Unna)High temperature nuclear power plant G.m.b.H. (HKG) European Joint Undertaking 4701 Uentrop (Unna) Patentanspruch;Claim; Verfahren zum zeitweiligen Abschalten eines Hochtemperatur-Kernreaktors, in dessen Verlauf die Kühlmittelzufuhr vermindert wird, dadurch gekennzeichnet , daß zunächst die Regelstäbe um einen Teilbetrag - vorzugsweise um ca. A k/k = 0,5% - eingefahren werden und die mittlere Reaktorkern-Temperatur dann durch dosierte Nachwärmeabfuhr auf dem Betriebswert gehalten wird.Process for the temporary shutdown of a high-temperature nuclear reactor, in the course of which the coolant supply is reduced, characterized in that first the control rods are retracted by a partial amount - preferably by about A k / k = 0.5% - and the mean reactor core temperature is then kept at the operating value by dosed residual heat removal. 509848/0013509848/0013