DE2347817C2

DE2347817C2 - Kugelhaufenreaktor mit Einmaldurchlauf der Brennelemente

Info

Publication number: DE2347817C2
Application number: DE2347817A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Maly; Eberhard Dr. 5170 Jülich Teuchert
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1973-09-22
Filing date: 1973-09-22
Publication date: 1984-05-17
Also published as: FR2245054A1; JPS5059697A; JPS6027958B2; DE2347817A1; FR2245054B1; GB1483506A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktor, bei dem kugelfoermige Brennelemente mit einer Umhuellung aus Graphit von oben nach unten durch den Reaktorkern geschleust werden und nach einmaligem Durchlaufen des Reaktorkerns den gewuenschten Endabbrand erreichen. Der Reaktorkern, der von einem aus einem Deckenreflektor, Seitenreflektor und Bodenrefelektor bestehenden Reflektor aus Graphit umgeben wird, wird zugleich von einem Waermeuebertragungsmittel durchstroemt. Der Kernreaktor gemaess der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass innerhalb oder in der Nachbarschaft des der Brennelementschuettung zugewandten Teils der Wandung des Deckenreflektors und/oder des oberen Teils des Seitenreflektors Stoffe vorgesehen sind, die Neutronen absorbieren oder die die Neutronengeschwindigkeit verringern. Nach den Massnahmen gemaess der Erfindung geschieht dies dadurch, dass beschichtete Partikel, die neutronenabsorbierende Stoffe enthalten, in der Wandung des Deckenreflektors eingelagert sind, oder auch dadurch, dass in der Wandung Bohrungen vorgesehen sind, in denen Staebe, die neutronenabsorbierende Stoffe enthalten, angeordnet sind. Die Erfindung bezieht sich noch auf ein Verfahren zum Betreiben eines Kernreaktors der eingangs bezeichneten Art. Die Verfahrensmassnahmen gemaess der Erfindung bestehen darin, dass der Reaktor von oben mit kugelfoermigen Elementen beschickt wird, die neutronenabsorbierende Stoffe enthalten, die nur ueber eine vorgegebene Strecke wirksam sin...U.S.W

Description

Die Erfindung bezieht sich auf pinen Kugelhaufenreaktor der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art.

Kugelhaufenreaktoren mit kontinuierlichem Brennelementendurchlauf, bei denen kugelförmige Brennelemente im Reaktorkern als Schüttung vorliegen, gehören zum bekannten Stand der Technik. Die Kugelschüttung ist von einem Reflektor aus Graphit umgeben, dessen Wände etwa 1 m dick sind. Die Erfindung geht von einem Kugelhaufenreaktor aus. der in der Weise betrieben wird, daß die Brennelemente nach einem einzigen Durchlauf durch den Reaktorkern ihren Zielabbrand erreichen. Dadurch ergibt sich ein über die Höhe des Reaktors von oben nach unten abfallendes Profil der Leistungsdichteverteilung. Dies optimiert die Wärmeübertragung an das bei dieser Betriebsweise abwärts durch den Reaktor strömende Kühlgas. Bei einer mittleren Leistungsdichte zwischen 9 und 12 MW/m^J ist eine mittlere Gasaustrittstemperatur von etwa 1000⁰C erzielbar.

Nachteilig ist jedoch, daß der Graphit des den Reaktorkern umgebenden Reflektors aufgrund der auf ihn einwirkenden schnellen Neutronen, deren Energiebereich zwischen 10⁵ und 10⁷ eV liegt, eine Schädigung erfährt. Mit wachsender Neutronendosis treten zunächst Schrumpfungserscheinungen auf und im Anschluß daran schwillt und versprödet der Graphit. Dieser Schädigungsvorgang vollzieht sich um so schneller, je höher die Temperatur während der Bestrahlung ist. Um dies zu vermeiden, durfte bisher die zulässige schnelle Dosis von etwa4,7 · 10²² cm~²nicht überschritten werden. Da jedoch die zulässige Belastung der Brennelemente eine Erhöhung der mittleren Leistungsdichte bis zu 15 MW/m^J zuläßt, stellt dies eine unerwünschte Begrenzung der Leistungsdichte dar. Diese Leistungsbegrenzung, bei der also noch keine Gefährdung des Graphits des Reaktors auftritt, lag bisher bei etwa 7 bis 10 MW/m'.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Voraussetzung für die Möglichkeit zu schaffen, bei gleichbleibender Lebensdauer die mittlere Leistungsdichte und damit die Gesamtleistung eines Kugelhaufenreaktors zu erhöhen.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es dabei darauf ankommt in den am stärksten belasteten Bereichen des Reflektors die schnelle Dosis üu vermindern. Sie geht von der weiteren Erkenntnis aus, daß

ίο insbesondere die inneren Grenzschichten des Deckenrefiektors und die oberen Teile des Seitenreflektors einer hohen Dosisbelastung ausgesetzt sind. Dies beeinträchtigt die Reaktorleistung. Es ist deshalb insbesondere dann, wenn das Kühlgas, das den Reaktorkern durchst.'ömt, auf eine Temperatur oberhalb von 850° C aufgeheizt werden soll, der Beanspruchung der verwendeten Werkstoffe infolge der hohen Temperatur hinreichend Rechnung zu tragen.

Die vorstehend bezeichnete Aufgabe wird bei einem Kugelhaufenreaktor der eingangs bezeichneten Art gernäß der Erfindung durch die in Patentanspruch ! gekennzeichneten Merkmale gelöst Dadurch wird erreicht, daß in den dosisgefährdeten Bereichen des Reflektors der schnelle Neutronenfluß erheblich vermindert wird. Je nachdem, in welchem Umfang die Maßnahmen gemäß der Erfindung angewendet werden, läßt sich der Neutronenfluß zv/ischen 30 und 40% oder im Bedarfsfalle zwischen 20 und 80% verringern. Dies mindert die Dosisschädigung in gleichem MaBe, so daß es möglich ist, die Leistungsdichte des Reaktors entsprechend zu erhöhen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in Patentansprüchen 2 und 3 angegeben. Danach sind in die Reflektorteile beschichtete Partikeln eingelagert, die Neutronen absorbierende Stoffe, wie Bor. Hafnium oder dergleichen enthalten. Die Partikeln weisen einen Durchmesser von einigen 100 Jim auf. Statt dessen cder daneben lassen sich in der Wand des Deckenreflektors und/oder im oberen Teil der Wand <L:s Seitenreflektors Bohrungen, Hohlräume oder dergleichen vorsehen, in denen Neutronen absorbierende Stoffe, wie Bor, Hafnium oder dergleichen enthaltende Stäbe anzuordnen sind. Durch diese Maßnahmen wird die Absorption von Neutronen innerhalb des Reflektors erhöht. Wie sich gezeigt hat, vermindert sich im Abstand bis zu etwa 80 cm von der Wandung des Reflektors entfernt der thermische Neutronenfluß in der Kugelschüttung merklich, so ist der Grenzfläche des Reflektorbereiches, je nach Dosierung der Neutronen absorbierenden Stoffe bis zu 80%. Im Bedarfsfall kann es auch zweckmäßig sein, eine Dosisentlastung im unteren Teil des Reflektor"· vorzunehmen, falls sehr hohe Gasaustrittstemperaturen gewünscht oder besonders dosisgefährdete Werkstoffe verwendet werden. Statt das Absorbermaterial in beschichteter Form zuzugeben, ist es selbstverständlich auch möglich, die Reflektorwand in den angegebenen Bereichen in anderer Weise zu dosieren, beispielsweise mit einem Material in körniger Form ohne eine Beschichtung. Außer Bor und Hafnium können auch andere Neutronen absorbierende Stoffe, wie Mangan, Eisen, Nickel und Gadolinium verwendet werden. Auch dem Bedarfsfalle angepaßte Mischungen von Absorbermaterialien sind einsetzbar. Dabei kann der unterschiedliche Wirkungsquerschnitt dieser Stoffe genutzt werden und auch, daß die Konzentrationen von Mangan, Eisen und Nickel sich während eines jahrzehntelangen Reaktorbetriebs nicht wesentlich verändern. Bor, Gadolinium und Hafnium besitzen einen hohen Absorptionswir-

kungsquerschnitt. Sie br&uchen daher nur in sehr geringen Konzentrationen zugegeben zu werden. Da sie jedoch abbrennbar sind, müssen sie jeweils in Abständen von einigen Jahren erneuert werden. Die Einlagerung von Absorbermaterialien in der Reflektorwandung führt dazu, daß die Temperatur des in diesem Teil des Reflektors an der Reflektorwand strömenden Kühlmittels, beispielsweise Helium, um etwa 100 bis 150⁰C niedriger ist als <~>hne Einlagerung von Neutronen absorbierendem Stoff in der Wandung des Reflektors. Das führt zu einer beachtlichen Steigerung der Lebensdauer des Reflektors. Durch diase Maßnahme wird die Leistungsdichte außerdem in innere Bereiche des Reaktorkerns verlagert. Dadurch wird die während der Dauer des Reaktorbetriebs auftretende akkumulierende schnelle Neutronendosis auf der Reflektorgrenzfläche vermindert.

In der Zeichnung sind zur Veranschaulichung der Maßnahmen gemäß der Erfindung einige Vergleichsbeispiele dargestellt. Die Figur zeigt die unterschiedlichen Auswirkungen der Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen auf den schnellen Neutroner-luß längs der Reaktorachse sowie den schnellen Neuironenfluß bzw. die schnelle Jahresdosis längs der Grenzfläche zwischen Reaktorkern und Seitenreflektor.

Der in der Zeichnung wiedergegebene Neutronennuß bezieht sich auf einen Kugelhaufenreaktor mit Einmaldurchlauf, bei dem die kugelförmigen Brennelemente stetig zugegeben und abgezogen werden und nach einmaligem Durchlauf ihren Endabbrand erreichen. Die Leistungsdichte des Kugelhaufenreaktors beträgt 5 MW/m³. Die mit I bezeichnete Kurve gibt den schncilen Neutronenfluß entlang der Reaktorachse wieder. Werden im oberen Teil des Reflektors thermische Neutronen absorbierende Stoffe eingelagert, so daß ein totaler Wirkungsquerschnitt .£, = 0,0016 cm-' erreicht wird, so verlagert sich der thermische Neutronenfluß und somit die Leistungsdichte in den unteren Bereich des Reaktorkerns. Der schnelle Neutronenfluß nimmt dabei einu.n Verlauf an, der in Kurve II wiedergegeben ist. Die schnelle Neutronendosis am inneren Rand des oberen Teils des Seitenreflektors verminderte sich entsprechend um 28%. Die Kritikalität des sich dabei einstellenden Gleichgewichtsbetriebes war gleichwohl lediglich um 0,4% vermindert. Ein Ausgleich konnte ohne weiteren dadurch vorgenommen werden, daß die Anfangsanreicherung von 6,50% auf 6,60% erhöht wurae. Wurde der Wirkungsquerschnitt des Absorbers im oberen Teil des Seitenreflektors bis zur völligen Schwärzung erhöht, so nahm Jer Neutronenfluß die in der Kurve ΙΙϊ wiedergegebene Form an. Er verminderte sich an der Gre/izfläche um 82%.

In Kurve IV ist der schnelle Neutronenfluß längs der Grenzfläche zwischen Reaktorkern und Seitenrefiektor ohne Anwendung der Maßnahmen gemäß der Erfin- ■» dung wiedergegeben. Der Verlauf der Kurve V zeigt die Verschiebung der Leistungsdichte bei einer leichten Vergiftung des Seitenreflektors in einer Höhe von etwa 80 cm am oberen Rand der Kugelschültung. Der Wirkungsquerschnitt Σ_Λ betrug dabei 0,0016 cm-'. _ni>

Wie aus dem Kurvenverlauf hervorgeht, wurde die Leistungsdichte im Reaktorkern durch Anwendung der Maßnahme gemäß der Erfindung derart verlagert, daß die schnelle Dosis sich im vorstehend angegebenen Bereich um etwa 30% verminderte. to

Um einen Wirkungsquerschnitt Σ j = 0.0016 cm^¹ /1· erzielen, wurde dem Graphit des Reflektors Mangan mit einem Volumcnantcil von 0.15% beigemengt. Die ser Zugabe von Mangan entspricht eine Beimengung von 0,72 Vol.-% Fe oder 0,38 Vol.-% Ni.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kugelhaufenreaktor, dessen Brennelemente nach einmaligem Durchlaufen des Reaktorkerns den Endabbrand erreichen, mit einem den Reaktorkern umgebenenden, aus Decken-, Seiten- und Bodenreflektor bestehenden Reflektor aus Graphit, in dessen dem Kugelhaufen der Brennelemente zugewandten Wandbereich des Deckenreflektots und/oder des oberen Teils des Seitenreflektors Neutronen absorbierende Stoffe vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine solche Menge an Neutronen absorbierenden Stoffen vorhanden ist, daß ein totaler Wirkungsquerschnitt Xa = 0,0016 cm-' erreicht ist

2. Kugelhaufenreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Neutronen absorbierende Stoffe enthalten, beschichtete Partikeln mit einem Durchmesse» von einigen 100 lim in die Reflektorteile eingeiagert sind.

3. Kugelhaufenreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß in der Wand des Dekkenreflektors und/oder im oberen Teil der Wand des Seitenreflektors Bohrungen, Hohlräume o. dgL vorgesehen sind, in denen Neutronen absorbierende Stoffe enthaltende Stäbe angeordnet sind.