DE2828975C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Absorberstab für das direk­ te Einführen von oben in eine Schüttung kugelförmiger Brennelemente eines gasgekühlten Hochtemperaturreaktors, wobei sich das Absorbermaterial des Absorberstabs zwi­ schen zwei konzentrisch zueinander angeordneten Stahl­ hüllrohren befindet, von denen das innere von dem inner­ halb gelegenen Innenraum durch einen Kühlgasstrom beauf­ schlagt wird und wobei der Absorberstab ein weiteres konzentrisch angeordnetes Hüllrohr aufweist, das mit einem der Stahlhüllrohre einen Ringraum für einen Kühl­ gasstrom bildet.

Ein derartiger Absorberstab ist aus der DE-OS 20 49 981 bekannt. Das dort im Zentrum des Absorberstabes angeord­ nete Rohr wird von einem Gasstrom beaufschlagt um eine Brennstoffkugel in einer entsprechenden Aussparung der Absorberstabspitze durch Unterdruckwirkung zu halten.

Zur Kühlung des Absorberstabes wird ein Teilstrom des Kühlgases aus dem Bereich oberhalb der Schüttung durch das Innere des Absorberstabes geleitet, der durch Öff­ nungen in der Stabspitze wieder austritt. Die äußere Umhüllung jedes Absorberstabes wird direkt von dem durch die Brennelement-Schüttung strömenden Kühlgas benetzt und ist somit einer höheren Temperatur ausgesetzt als das innere Hüllrohr. Infolge der Wärmeproduktion in den Absorberstäben durch Neutronen- und Gammaeinfang liegt die Temperatur der äußeren Umhüllung grundsätzlich über der des umgebenden Kühlgases in der Brennelement-Schüt­ tung. Der Einsatz der bekannten Stabkonstruktion ist daher durch die Temperaturgrenzwerte des verwendeten Hüllrohrmaterials auf Kernreaktoren mit mäßig hohen Kernaustrittstemperaturen (ca. 750°C) beschränkt. Bei Verwendung der bekannten Absorberstäbe in Kernreaktoren mit höheren Kernaustrittstemperaturen des Kühlgases (ca. 850°C bis 950°C) müßten die zulässigen Stabeinfahrtiefen reduziert werden, wodurch sich erhebliche Einschränkun­ gen bei der Realisierung verfahrenstechnisch einfacher Abschaltkonzepte ergeben würden.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Absorber­ stab der eingangs genannten Art gezielter zu kühlen.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß das weitere Hüllrohr außerhalb des äußeren Stahlhüllroh­ res angeordnet ist, so daß das zwischen den beiden Stahlhüllrohren angeordnete Absorbermaterial sowohl von innen als auch von außen mit einem Kühlgasstrom beauf­ schlagt wird.

Das äußere Hüllrohr hält die Wärme des in der Schüttung strömenden Gases von dem das Absorbermaterial ein­ schließenden Stahlhüllrohr ab. Die Wärme des äußeren Hüllrohres und die im Absorbermaterial erzeugte Wärme wird von dem im neugebildeten Ringraum strömenden Kühl­ gas aufgenommen und abgeführt.

Es ist vorteilhaft, für die Kühlung der Absorberstäbe einen Teil des Kühlgasstromes zu verwenden, der durch die Brennelement-Schüttung geführt wird. Dieser Teil­ strom wird oberhalb der Brennelement-Schüttung abgezweigt und sowohl durch den zentralen Innenraum der Absorber­ stäbe als auch durch den Ringspalt dieser Stäbe geführt. Der Teilstrom wird also einem Bereich entnommen, in dem relativ niedrige Kühlgastemperaturen herrschen.

Ist eine stärkere Kühlung des Absorberstabes erforder­ lich, so werden die beiden Kühlgasströme für den Absor­ berstab von einem Kühlgasstrom abgezweigt, der den Liner (Umhüllung der Kugelschüttung) kühlt. Eine solche Absor­ berstabkühlung mit "Kaltgas" wird insbesondere bei in einem geschlossenen Kühlgaskreislauf mit Gasturbinen gekoppelten Hochtemperaturreaktor eingesetzt.

Insbesondere bei der Verwendung der Liner-Kühlgases zur Kühlung der Absorberstäbe hängt die Stärke der Kühlströ­ me in dem Absorberstab vorteilhaft von dessen Einfahrtiefe in die Brennelementschüttung ab. Diese Maßnahme verfolgt den Zweck, die aufgrund der Ver­ schlechterung des Rekuperator-Austauschgrades unvermeid­ baren (wenn auch nur geringen) Wirkungsgradeinbußen so niedrig wie möglich zu halten. Es wird daher Liner-Kühlgas nur im Bedarfsfall, d. h. wenn die Absorberstabspitzen sich unterhalb einer konstanten Ein­ fahrtiefe in der Brennelement-Schüttung befinden, in die Absorberstäbe eingeleitet. Auf diese Weise wird eine ständige Bypass-Strömung des Liner-Kühlgases in den Re­ aktorkern vermieden.

Die Steuerung der Kühlstromstärke erfolgt vorzugsweise mit einer verstellbaren Kühlgasdrossel.

In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel eine Absor­ berstab-Kühlung für einen Hochtemperatur-Reaktor mit geschlossenem Gaskreislauf und an den Reaktor angekop­ pelter Gasturbine dargestellt. Die Figuren zeigen im einzelnen

Fig. 1 einen Horizontalschnitt nach der Linie I-I der Fig. 2,

Fig. 2 einen Vertikalschnitt nach der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 einen einzelnen Absorberstab im Vertikal­ schnitt,

Fig. 4 einen Abschnitt eines anderen Absorberstabes, ebenfalls im Vertikalschnitt, vergrößert dar­ gestellt,

Fig. 5 einen Horizontalschnitt nach der Linie V-V der Fig. 4,

Fig. 6 einen Absorberstab mit einer Steuereinrichtung für den Kühlgaseintritt,

Fig. 7 einen Absorberstab mit einer anderen Steuereinrich­ tung für den Kühlgaseintritt,

Fig. 8 eine weitere Variante dieser Steuereinrichtung.

Die Fig. 1 und 2 lassen einen Spannbetondruckbehälter 1 erkennen, der zylindrisch ausgeführt und zentral im Inneren eines (nicht dargestellten) ebenfalls zylindrischen Sicher­ heitsbehälters aus Stahlbeton angeordnet ist. Innerhalb des Spannbetondruckbehälters 1 sind ein Hochtemperaturreaktor 2 und die weiteren Komponenten des Primär- oder Kühlgaskreis­ laufs untergebracht. Diese umfassen einen Gasturbosatz sowie je zwei Rekuperatoren, Vorkühler und Zwischenkühler.

Der Hochtemperaturreaktor 2, der in einer Kaverne 3 einge­ baut ist, ist als graphitmoderierter, heliumgekühlter Reaktor ausgeführt, dessen Brennelemente kugelförmig ausgebildet sind. Unterhalb des Bodens des Reaktorkerns befindet sich ein Heiß­ gassammelraum 4 zur Aufnahme des aus dem Kern austretenden er­ hitzten Gases. Über dem Reaktorkern ist ein Warmgassammel­ raum 5 vorgesehen, der das aus dem Hauptkreislauf zurückströ­ mende Gas aufnimmt, bevor es wieder dem Reaktorkern zugelei­ tet wird. Der Reaktorkern ist von einem zylindrisch ausgebil­ deten thermischen Schild 6 sowie einem thermischen Decken­ schild 6 a umgeben.

Die Kaverne 3 weist zur Abdichtung einen Liner 7 auf, der re­ aktorseitig keine Wärmeschutzeinrichtung wie Isolierug oder Kühlsystem besitzt. Zwischen dem thermischen Schild 6 und dem Liner 7 befindet sich ein Ringraum 8. Ein weiterer Raum 8 a ist zwischen dem thermischen Deckenschild 6 a und dem Liner 7 vorgesehen.

Durch die Decke des Spannbetonbehälters 1 erstrecken sich Pan­ zerrohre 30, in denen Absorberstäbe 31 bewegbar angeordnet sind, die unmittelbar in die Schüttung der kugelförmigen Brenn­ elemente eingefahren werden. Durch ein Zugaberohr 32 können die Brennelemente in den Hochtemperaturreaktor 2 eingegeben werden. Die Entfernung der Brennelemente aus dem Kern erfolgt durch ein Abzugsrohr 33. In den Fig. 3, 4 und 5 sind die Absorberstäbe 31 genauer dargestellt.

Durch zwei seitlich unten an dem Hochtemperaturreaktor 2 an­ gebrachte Austrittsstutzen 9 und ebensoviele seitlich oben angebrachte Eintrittsstutzen 10 ist der Hochtemperaturreaktor 2 mit den übrigen Komponenten des Hauptkreislaufes verbunden.

Unter dem Hochtemperaturreaktor 2 ist ein horizon­ taler Stollen 11 in dem Spannbetondruckbehälter 1 gearbeitet, in dem in getrennten Gehäusen eine einwellige Gasturbine 12, ein ND-Verdichter 13 und ein HD-Verdichter 14 installiert sind. Die Verdichter sitzen mit der Gasturbine auf einer ge­ meinsamen Welle. Ein (nicht dargestellter) Generator, der im Sicherheitsbehälter aufgestellt ist, ist mit der Gasturbine 12 gekoppelt.

Zwei vertikale Gasführungsstollen 15 erstrecken sich seit­ lich neben der Gasturbine 12 nach oben bis in Höhe des Bo­ dens des Reaktorkerns, und in jedem dieser Gasführungsstol­ len ist eine Heißgasleitung 16 installiert. Jede Heißgaslei­ tung 16 ist mit einem der Reaktoraustrittsstutzen 9 und mit einem Turbineneintrittsstutzen verbunden. Im oberen Teil des Spannbetondruckbehälters 1 befinden sich zwei weitere verti­ kale Gasführungsstollen 17, die jeweils mit einem der Gas­ führungsstollen 15 fluchten. In ihnen ist je eine Warmgaslei­ tung 18 angeordnet, und jede Warmgasleitung 18 ist an einen der beiden Reaktoreintrittsstutzen 10 angeschlossen.

Auf einem Teilkreis um die Reaktorkaverne 3 sind sechs ver­ tikale Ausnehmungen 19 vorgesehen, die mit berstsicheren Deckeln 20 abgeschlossen sind. Die Ausnehmungen 19 dienen zur Aufnahme der wär­ metauschenden Apparate, wobei in symmetrischer Anordnung zu dem Turbinenstollen 11 zwei Rekuperatoren 21, zwei Vorkühler 22 und zwei Zwischenkühler 23 untergebracht sind. Alle wär­ metauschenden Apparate sind in gleicher Höhe wie die Reak­ torkaverne 3 installiert. Außer den Ausnehmungen 19 sind noch drei weitere vertikale Ausnehmungen 29 vorhanden, die zur Aufnahme eines Nachwärmeabfuhrsystems dienen.

In Höhe des Turbinenstollens 11 sind in dem Spannbetondruckbe­ hälter 1 mehrere horizontale Gasführungen vorgesehen, die die wärmetauschenden Apparate eines Stranges miteinander bzw. mit dem Gasturbosatz verbinden. Der Gasleitung zwischen Re­ kuperator und Vorkühler jedes Stranges dient eine Gasführung 24, während die Verbindung zwischen den beiden Rekuperatoren 21 und den Turbinenaustrittsstutzen jeweils durch eine Gas­ führung 25 hergestellt ist. Von den Vorkühlern 22 zu den bei­ den Eintrittsstutzen des ND-Verdichters 13 wird das Gas je­ weils durch eine Gasführung 26 geleitet, und zwischen den ND- Verdichter-Ausgängen und den beiden Zwischenkühlern 23 ist jeweils eine Gasführung 27 vorgesehen. Auf einer etwa tiefe­ ren Ebene befinden sich noch zwei Gasführungen 28 , die die beiden Zwischenkühler 23 mit den Eingängen des HD-Verdichters verbinden.

Von dem HD-Verdichter 14 zu den beiden Rekuperatoren 21 wird das Gas auf einem großen Teil seines Strömungsweges durch die vertikalen Gasführungsstollen 15 und 17 geleitet, wobei es außen an den Heißgasleitungen 16 und den Warmgasleitungen 18 entlangströmt, die als koaxiale Gasführungen ausgebildet sind. Auf seinem Weg von dem Gasführungsstollen 15 zu dem Gasfüh­ rungsstollen 17 wird das Gas, das eine Temperatur von ca. 110°C aufweist, koaxial zu den Reaktoraustrittsstutzen 9 in die Re­ aktorkaverne 3 geführt und tritt hier in den Ringraum 8 zwischen dem thermischen Schild 6 und dem Liner 7 ein. In diesem Ringraum strömt es nach oben in den Raum 8 a, wobei es den Liner 7 im Bereich des Ringraumes 8 und des Raumes 8 a kühlt. Ein Teil des Kaltgases wird in die Absor­ berstäbe 31 eingeleitet, die es von oben nach unten in einem zentralen Innenraum 40 und einem Ringspalt 41 durchströmt, wie in der Fig. 3 dargestellt ist. Darauf tritt das Kaltgas am unteren Ende der Absorberstäbe 31 wieder aus und vermischt sich mit dem Hauptkühlgasstrom, der die Schüttung der kugel­ förmigen Brennelemente durchströmt.

Die Fig. 3 zeigt einen einzelnen Absorberstab 31, der zylin­ derförmig ausgebildet ist und eine kegelstumpfartige Spitze 34 besitzt. Diese weist eine der Form der Brennelemente an­ gepaßte Ausnehmung 35 auf. Der Absorberstab 31 besteht aus drei koaxial zueinander angeordneten Hüllrohren aus Stahl, von denen das innere Hüllrohr 36 und das mittlere Hüllrohr 37 gasdicht ein Absorberteil 39 aus B₄C umschließen.

Das innere Hüllrohr 36 stellt hierbei das Tragrohr dar, das die Tragfunktion und die Kraftübertragung bei Stabbewegungen übernimmt. Es besitzt eine entsprechende Wanddicke. In sei­ nem Inneren ist ein freier Raum 40 vorgesehen. Zwischen dem mittleren Hüllrohr 37 und einem äußeren Hüllrohr 38 befindet sich ein Ringspalt 41. An dem mittleren Hüllrohr 37 sind Kühlrippen 42 angebracht, die sich in den Ringspalt 41 hin­ ein erstrecken.

Im oberen Teil des Absorberstabes 31 sind mehrere Schlitze für den Eintritt des kalten Kühlgases vorhanden (hier nicht dargestellt). Die Stabspitze 34 besitzt Austrittsöffnungen 43, die mit dem Innenraum 40 in Verbindung stehen. Weitere Schlitze 44 für den Kaltgasaustritt sind in dem unteren Ende des äußeren Hüllrohres 38 vorgesehen.

Ein Teil des den Raum 8 a (vgl. Fig. 2) durchströmenden Kalt­ gases wird abgezweigt und in jeden der Absorberstäbe 31 ein­ geleitet. In der Fig. 3 ist der Strömungsweg des Kaltgases durch den Absorberstab 31 durch Pfeile angedeutet. Das durch den Innenraum 40 strömende Kaltgas kühlt das innere Hüllrohr 36, während das mittlere Hüllrohr 37 und das äußere Hüllrohr 38 von dem durch den Ringspalt 41 strömenden Kaltgas gekühlt werden.

Die Fig. 4 und 5 zeigen ausschnittsweise eine Variante des Absorberstabes 31. Auch dieser Absorberstab weist drei koaxial zueinander angeordnete Hüllrohre auf; die Tragfunktion wird hier jedoch von dem äußeren Hüllrohr 38 übernommen, das gegen­ über dem Hüllrohr des zuvor beschriebenen Absorberstabs eine größere Wanddicke besitzt. Das innere Hüllrohr 36 und das mittlere Hüllrohr 37 umgeben gasdicht das aus B₄C bestehende Absorberteil 39. Das oben in den Absorberstab eindringende Kaltgas durchströmt auch hier einen freien Innenraum 40 und einen zwischen mittlerem und äußerem Hüllrohr befindlichen Ringspalt 41. In dem Ringspalt 41 sind Führungsrippen 42 an­ geordnet, die den Abstand zwischen den beiden Hüllrohren 37 und 38 konstant halten und die Wärmeübertragung verbessern.

Die in dem Absorberteil 39 erzeugte Wärme wird durch die bei­ den Kühlgasströme abgelei­ tet, wobei sich die Kühlgasströme geringfügig aufheizen. In der Fig. 4 ist der Temperaturverlauf durch die Absorberstab­ wand schematisch dargestellt. Wie daraus ersichtlich, liegt die Temperatur des äußeren Hüllrohres 38 zwischen der des Kühl­ gases in dem Reaktorkern und derjenigen des Kühlgases in dem Ringspalt 41; d. h. sie nimmt grundsätzlich einen Wert an, der niedriger als die Kern-Temperatur in der Umgebung des Absor­ berstabes 31 ist.

Die Fig. 6, 7 und 8 zeigen drei Ausführungsvarianten einer Steuereinrichtung 52 zur Regelung des Kaltgaseintritts in einen Absorberstab 31 in Abhängigkeit von seiner Einfahrtiefe in die Schüttung 53 der kugelförmigen Brennelemente 54. Der Absorberstab 31 ist bewegbar in dem Panzerrohr 30 angeordnet, das in der Decke des Spannbetondruckbehälters 1 installiert ist, wie bei Fig. 1 und 2 beschrieben.

Das Kaltgas steht in dem Raum 8 a zwischen den Liner 7 und dem thermischen Deckenschild 6 a an. Zwischen dem thermischen Deckenschild 6 a und dem Deckenreflektor 55 befindet sich der Warmgassammelraum 5, von dem aus Kühlgas von 468°C durch nicht gezeigte Öffnungen in dem Deckenreflektor 55 in die Brennelement-Schüttung 53 eintritt. Der Absorberstab 31 weist in seinem oberen Teil auf seinen Umfang verteilt eine Reihe von Eintrittsschlitzen 56 für das Kaltgas auf. Die Austritts­ schlitze 43, 44 sind in der Stabspitze 34 vorgesehen. Der Ab­ sorberstab 31 wird mittels eines Antriebs 57 bewegt, der inner­ halb eines Antriebszylinders 58 angeordnet ist. Der Antrieb 57 arbeitet pneumatisch.

Bei dem in den Fig. 6 und 7 gezeigten Absorberstab 31 ist die Steuereinrichtung 52 als Schiebersteuerung ausgebildet, bei welcher der Stab selbst die Funktion des Schiebers über­ nimmt. An einer Verlängerung des Antriebszylinders 58 ist eine Dichtung 59 vorgesehen, die bewirkt, daß das Kaltgas erst ab einer bestimmten Einfahrtiefe des Stabes in die Brenn­ element-Schüttung 53 in die Eintrittsschlitze 56 des Absorber­ stabes 31 einströmen kann. Die Position der Dichtung 59 wird von den Eintrittsschlitzen 56 bestimmt, die bei höchster Stabstellung nicht innerhalb des Antriebszylinders 58 liegen dürfen.

Innerhalb des Raumes 8 a, aus dem das Kaltgas abgeleitet wird, ist um den Absorberstab 31 ein Zylinder 60 angeordnet, der mit Schlitzen 61 für den Kaltgasdurchtritt versehen ist. Um einen ständigen Bypass des Kaltgases in die Brennelement-Schüt­ tung 53 zu verhindern, ist eine Absperrung des von dem Zylin­ der 60 umschlossenen Raumes zur Schüttung 53 und zum Warmgas­ sammelraum 5 hin erforderlich.

Bei dem in der Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zu diesem Zweck einmal innerhalb des Deckenreflektors 55 eine Dichtung 62 vorgesehen, und zum anderen befindet sich in dem Warmgassammelraum ein weiterer um den Absorberstab 31 ange­ ordneter Zylinder 63.

Die Fig. 7 zeigt eine andere Lösung zur Verhinderung eines Kaltgas-Bypasses in die Brennelement-Schüttung 53. Hier weist der Antriebszylinder eine Verlängerung 64 auf, die bis in den Deckenreflektor 55 hinein fortgeführt ist, wobei sie dicht an dem in dem thermischen Seitenschild 6 a befindlichen Durch­ bruch für den Absorberstab 31 anliegt. Am unteren Ende der Verlängerung 64 ist innen eine Dichtung 65 angeordnet.

Bei dem in der Fig. 8 dargestellten Absorberstab 31 besteht die Steuereinrichtung 52 aus einer verstellbaren Kühlgas­ drossel 66, die innerhalb des den Absorberstab 31 umgebenden Zylinders 60 installiert ist. Ihre Betätigung erfolgt in Ab­ hängigkeit von der Einfahrtiefe des Absorberstabes 31. Es tritt also nur dann Kaltgas in den von dem Zylinder 60 um­ schlossenen Raum ein, wenn die Absorberstabspitze 34 eine vor­ gegebene Tiefe erreicht hat. Eine Abdichtung zur Brennelement- Schüttung 53 hin ist hier daher nicht erforderlich. Der Warm­ gassammelraum 5 wird durch einen um den Absorberstab 31 ange­ ordneten Zylinder 63 gegen das Kaltgas abgesperrt. In der Fig. 8 ist auf der linken Seite des Absorberstabes 31 die Kühl­ gasdrossel 66 in geöffnetem Zustand dargestellt; rechts neben dem Absorberstab 31 wird die geschlossene Kühlgasdrossel 66 ge­ zeigt.

Claims (5)

1. Absorberstab für das direkte Einführen von oben in eine Schüttung kugelförmiger Brennelemente eines gas­ gekühlten Hochtemperaturreaktors, wobei sich das Absor­ bermaterial des Absorberstabs zwischen zwei konzentrisch zueinander angeordneten Stahlhüllrohren befindet, von denen das innere von dem innerhalb gelegenen Innenraum durch einen Kühlgasstrom beaufschlagt wird und wobei der Absorberstab ein weiteres konzentrisch angeordnetes Hüllrohr aufweist, das mit einem der Stahlhüllrohre ei­ nen Ringraum für einen Kühlgasstrom bildet, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das weitere Hüllrohr (38) außer­ halb des äußeren Stahlhüllrohrs (37) angeordnet ist, so daß das zwischen den beiden Stahlhüllrohren (36 und 37) angeordnete Absorbermaterial (39) sowohl von innen als auch von außen mit einem Kühlgasstrom be­ aufschlagt wird.

2. Absorberstab nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Kühlgasströme für den Absorber­ stab (31) von dem in die Brennelementschüttung einzulei­ tenden Kühlgasstrom oberhalb der Schüttung abgezweigt werden.

3. Absorberstab nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Kühlgasströme für den Absorber­ stab (31) von einem Kühlgasstrom abgezweigt werden, der die Umhüllung (7) der Kugelschüttung kühlt.

4. Absorberstab nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Kühlströme in dem Absorberstab (31) von der Einfahrtiefe des Absorber­ stabs in die Brennelementschüttung abhängt.

5. Absorberstab nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine verstellbare Drossel (66) zur Ein­ stellung der Stärke vorgesehen ist.