DE3345494A1 - Method for operating a small HT reactor - Google Patents

Abstract

The invention relates to a method for operating a small HT reactor having spherical fuel elements and through the core of which cooling gas flows from the bottom to the top. In order to be able to economise on plant costs in the loading plant, the small reactor is run in a manner known per se in a once-through-then-out operation of the fuel elements, an impermissible radiation loading of the upper graphite core internals being avoided owing to the fact that spherical absorber elements having the same diameter as the fuel elements are added to the latter. The proportion of the absorber quantity is fixed such that the axial power density distribution in the core has a flattened profile and has a maximum in the middle to lower half of the core.

Description

Verfahren zum Betreiben eines Procedure for operating a

HT-Kleinreaktors Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines HT-Kleinreaktors, der kontinuierlich mit kugelförmigen Brennelementen gleichen Durchmessers beschickt wird, die von oben zugegeben und nach unten aus dem Kern abgezogen werden, und dessen Kern von unten nach oben von einem Kühl gas durchströmt wird, das nach seiner Aufheizung mindestens einem oberhalb des Kerns angeordneten Dampferzeuger zugeführt wird. HT small reactor The invention relates to a method of operation of a small HT reactor, which continuously resemble spherical fuel elements Diameter is charged, which is added from above and down from the core are withdrawn, and the core flows through from the bottom to the top of a cooling gas is, which is arranged after its heating at least one above the core Steam generator is supplied.

Bekannt ist ein Hochtemperaturreaktor mittlerer Leistung (THTR-300 MWe), der in der angegebenen Weise mit Brennelementen beschickt wird. Am unteren Teil des Kerns ist ein Kugelauslaßrohr vorgesehen, durch das die Brennelemente während des Betriebes laufend dem Reaktor entnommen, zunächst einem Schrottabscheider und sodann einer Abbrandmeßeinrichtung zugeführt werden. Je nach dem Grad ihres Abbrandes werden sie darauf aus dem Brennstoffkreislauf ausgeschieden oder durch eine Höhenförderanlage dem Reaktor wieder zugeführt. Bei diesem Kernreaktor, bei dem das Kühl gas von oben nach unten durch den Kern strömt und die Dampferzeuger um den Kern herum angeordnet sind, tritt die höchste Leistungsdichte zwangsläufig etwa in der Mitte des Kerns auf. In diesem Gebiet mit der größten Leistungsdichte und dem höchsten Temperaturgradienten herrscht bereits eine hohe Gastemperatur, die die effektive Begrenzung der Austrittstemperatur des Kühlgases darstellt. Hier werden die höchstzulässigen Brennelementtemperaturen im inneren und in der Oberfläche derjenigen Brennelemente erreicht, die sich aufgrund des Beladezyklusses in der ersten Phase ihrer Abbrandgeschichte befinden.A high-temperature reactor of medium power (THTR-300 MWe), which is charged with fuel elements in the specified manner. At the bottom Part of the core is a spherical outlet tube through which the fuel assemblies during continuously removed from the reactor during operation, initially from a scrap separator and then fed to a burn-off measuring device. Depending on the degree of their burn they are then removed from the fuel cycle or by an elevator system fed back to the reactor. In this nuclear reactor, where the cooling gas comes from above flows down through the core and the steam generator is arranged around the core the highest power density inevitably occurs roughly in the middle of the core on. In this area with the greatest power density and the highest temperature gradient there is already one high gas temperature, which is the effective limitation represents the outlet temperature of the cooling gas. Here are the highest permissible Fuel element temperatures inside and in the surface of those fuel elements reached, which is due to the loading cycle in the first phase of their burn history are located.

Um die mit dem bekannten Kernreaktor erreichbare Kthlgasaustrittstemperatur von 750 OC, die von der Oberflächentemperatur der Brennelemente und der Temperatur der beschichteten Brennstoffpartikel bestimmt wird, auf 900 OC bis 1060 OC steigern zu können, wird bei einem anderen Hochtemperaturreaktor (DE-OS 21 23 894) ein Beschickungsverfahren angewandt, bei dem die Brennelemente bereits nach einmaligem Durchlaufen des Reaktorkerns den gewünschten Endabbrand erreicht haben und die axiale Leistungsdichteverteilung im oberen Teil, vorzugsweise im oberen Drittel, des Kerns ein Maximum hat, um danach nahezu exponentiell nach unten abzufallen.Around the coolant gas outlet temperature that can be achieved with the known nuclear reactor of 750 OC, that of the surface temperature of the fuel elements and the temperature of the coated fuel particles is determined, increase to 900 OC to 1060 OC to be able to use a charging process in another high-temperature reactor (DE-OS 21 23 894) applied, in which the fuel elements already after one pass through the reactor core have reached the desired final burn-up and the axial power density distribution in the upper part, preferably in the upper third, of the core has a maximum to thereafter falling almost exponentially downwards.

Bei diesem Kernreaktor ist die größte Leistungsdichte also in den kalten Bereich des Kerns verlegt, in den das relativ kalte Gas einströmt (das den Kern von oben nach unten durchsetzt).In this nuclear reactor, the greatest power density is in the cold area of the core, into which the relatively cold gas flows (which is the Core interspersed from top to bottom).

Am Gaseintritt wird somit bei relativ niedrigen Temperaturen und größten Temperaturgradienten eine schnelle Aufheizung des Gases bewirkt. Die hohe Leistungserzeugung ist gleichmäßig auf alle Brennelemente verteilt, da sie sich alle am Anfang ihrer Abbrandgeschichte befinden. Die axiale Leistungsdichte nimmt zur Mitte des Reaktors wesentlich ab und hat oberhalb des Bodenreflektors ihr Minimum, wodurch die Erhitzung des Kühlgases im Bereich der höchsten Temperaturen mit möglichst kleinen Temperaturgradienten erreicht wird. Außerdem hat dies den Vorteil, daß im unteren Teil des Reaktors nur relativ geringe Dosen an schnellen Neutronen auftreten, was zur Folge hat, daß die Kerneinbauten am unteren Teil des Reaktors aus relativ einfachen, vorzugsweise temperaturbeständigen, Materialien gefertigt werden können. Allerdings tritt im oberen Teil des Reaktors eine hohe Strahlenschädigung des Graphits des Reflektormantels auf; jedoch herrschen in diesem Bereich relativ niedrige Temperaturen, so daß ausreichende Reflektorstandzeiten von 40 Jahren erzielt werden können. Auch sind Maßnahmen vorgeschlagen worden, durch die eine Gefährdung des Reflektormantels weitestgehend vermieden wird (DE-PS 23 52 691).At the gas inlet is therefore at relatively low temperatures and largest Temperature gradient causes rapid heating of the gas. The high power generation is evenly distributed over all fuel elements, since they are all at the beginning of their Burn history are located. The axial power density increases towards the center of the reactor and has its minimum above the floor reflector, which causes heating of the cooling gas in the range of the highest temperatures with the smallest possible temperature gradients is achieved. In addition, this has the advantage that in the lower part of the reactor only relatively low doses of fast neutrons occur, with the result that the Core internals at the lower part of the reactor from relatively simple, preferably temperature-resistant, materials can be manufactured. However high radiation damage to the graphite occurs in the upper part of the reactor Reflector jacket on; however, the temperatures in this area are relatively low, so that a sufficient reflector service life of 40 years can be achieved. Even Measures have been proposed that endanger the reflector jacket is largely avoided (DE-PS 23 52 691).

Von großem Vorteil ist bei dem eben beschriebenen Kernreaktor auch, daß durch den Wegfall von Schrottabscheider, Abbrandmeßeinrichtung und Höhenförderanlage erhebliche Anlagekosten eingespart werden können.Another great advantage of the nuclear reactor just described is that that by eliminating the scrap separator, burn-off measuring device and elevator system considerable investment costs can be saved.

Ausgangslage der Erfindung ist ein HT-Kleinreaktor (100 - 200 MWe) mit den eingangs beschriebenen Merkmalen, also mit Aufwärtsströmung des Kühlgases im Kern und mit oberhalb des Kerns angeordneten Dampferzeugern (dargestellt z. B. in der DE-OS 32 12 264 und in der DE-PS 32 12 266). Die Führung des Kühlgases von unten nach oben durch den Kern ergibt sich hier einmal durch die Installation der Dampferzeuger direkt über dem Heißgassammelraum des HT-Kleinreaktors und zum anderen durch die Forderung, daß sich bei Ausfall der Gebläse eine für die Nachwärmeabfuhr ausreichende Naturkonvektion einstellen soll.The starting point of the invention is a small HT reactor (100 - 200 MWe) with the features described above, that is, with an upward flow of the cooling gas in the core and with steam generators arranged above the core (shown e.g. in DE-OS 32 12 264 and in DE-PS 32 12 266). The conduct of the cooling gas from down through the core results here once through the installation of the Steam generator directly above the hot gas collecting space of the small HT reactor and on the other by the requirement that if the fan fails, there is one for the residual heat removal should set sufficient natural convection.

HT-Kleinreaktor dieses Bautyps werden in der auch beim THTR-300 MWe vorgesehenen Weise mit Brennelementen beschickt; d. h. die Brennelemente durchlaufen den Reaktorkern mehrmals, bis sie den gewünschten Abbrandzustand erreicht haben. Zur Ausscheidung von Schrott und abgebrannten Brennelementen müssen also die dazu erforderlichen Einrichtungen vorhanden sein, und eine Anlage zum Zurückfördern der Brennelementkugeln in den Reaktorkern ist ebenfalls vorgesehen. Dadurch verteuern sich die Errichtungs-und Betriebskosten für einen derartigen HT-Klenreaktor beträchtlich.HT small reactors of this type are also used in the THTR-300 MWe charged with fuel assemblies in the intended manner; d. H. pass through the fuel assemblies the reactor core several times until they have reached the desired burn-up state. In order to separate scrap and spent fuel elements, they have to do so necessary facilities and a facility to the There is also provision for the fuel element balls to be conveyed back into the reactor core. This makes the construction and operating costs for such an HT Klenreaktor more expensive considerably.

Würde ein solcher Kleinreaktor in der Weise beschickt, daß die Brennelemente nach einmaligem Durchlaufen des Kerns ihren Endabbrandzustand erreicht haben, daß also die axiale Leistungsdichteverteilung ein asymmetrisches Profil mit einem Maximum im oberen Kerndrittel aufweist, so würde dieses Maximum wegen der Aufwärtsströmung des Kühl gases gerade in dem Kernbereich liegen, in dem die höchsten Gastemperaturen herrschen. Da die Strahlenschädigung von Graphit durch schnelle Neutronen bei höheren Temperaturen um ein Mehrfaches höher ist als bei relativ niedrigen Temperaturen, würden die in diesem Bereich befindlichen Graphit-Kerneinbauten, also der obere Teil des Reflektormantels, bereits nach kürzerer Zeit so geschädigt sein, daß entweder ein Austausch vorgenommen oder der Reaktorbetrieb eingestellt werden müßte. Auf keinen Fall würden die betreffenden Bauteile bei mittleren Leistungsdichten von B:4 MJ/smS im Kern die erforderliche Standzeit von 40 Jahren (Lebensdauer eines Hochtemperaturreaktors) erreichen.Such a small reactor would be charged in such a way that the fuel elements have reached their final burn-up state after passing through the core once, that so the axial power density distribution has an asymmetrical profile with a maximum in the upper third of the core, this would be a maximum because of the upward flow of the cooling gas are just in the core area in which the highest gas temperatures to rule. Because the radiation damage to graphite by fast neutrons at higher Temperatures are several times higher than at relatively low temperatures, would be the graphite core internals located in this area, i.e. the upper one Part of the reflector jacket, already after a short period of time, be so damaged that either an exchange would have to be made or the reactor operation would have to be discontinued. on In no case would the components concerned be at average power densities of B: 4 MJ / smS in essence the required service life of 40 years (service life of a High temperature reactor).

Von dem genannten Stand der Technik und der geschilderten Problematik ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines HT-Kleinreaktors mit den eingangs beschriebenen Merkmalen anzugeben, das den Verzicht auf Einrichtungen zum Aussortieren von Brennelementkugeln und Schrott und zum Rückfördern der Kugeln in den Kern ermöglicht, ohne daß die Graphiteinbauten des Reaktorkerns einer unzulässigen Strahlenbelastung ausgesetzt sind.From the state of the art mentioned and the problems outlined starting out, the invention is based on the object of a method for operation of a small HT reactor with the features described at the beginning, which the Dispensing with facilities for sorting out fuel element balls and scrap and allows the balls to be fed back into the core without the graphite internals of the reactor core are exposed to impermissible radiation exposure.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Beschickung in an sich bekannter Weise zeitlich so durchgeführt wird, daß die Brennelemente bereits nach einmaligem Durchlaufen des Kerns den gewünschten Endabbrand erreicht haben, und daß den Brennelementen ein vorgegebener Anteil von kugelförmigen Absorberelementen mit dem gleichen Durchmesser wie die Brennelemente beigemischt wird, wobei die Menge des Absorbermaterials so festgelegt ist, daß die axiale Leistungsdichteverteilung ein abgeflachtes Profil aufweist und in der Mitte bis unteren Hälfte des Kerns ein Maximum hat.According to the invention this object is achieved in that the feed carried out in a manner known per se in terms of time will that the Fuel elements achieve the desired final burnup after having passed through the core once have reached, and that the fuel elements a predetermined proportion of spherical Added absorber elements with the same diameter as the fuel elements is, the amount of absorber material is determined so that the axial power density distribution has a flattened profile and in the middle to lower half of the core Has maximum.

Bei Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens wird das Maximum der axialen Leistungsdichteverteilung, wie es sich bei einem Kernreaktor mit Einmaldurchlauf der Brennelemente einstellt, quasi in den mittleren bis unteren Teil des Reaktorkerns verschoben. Die kugelförmigen Absorberelemente, die im oberen Teil des Kerns ihre größte Wirksamkeit haben, setzen in diesem Bereich die Leistungsdichte herab und reduzieren den schnellen Neutronenfluß auf eine für die Graphiteinbauten tolerierbare Dosis. Mit den Brennelementen zusammen wandern sie in dem Reaktor nach unten, wobei sie langsam abbrennen und an Wirksamkeit verlieren. In dem Bereich, in dem die axiale Leistungsdichte ihr Maximum erreicht, sind die Absorberelemente fast völlig abgebrannt und haben praktisch keinen Einfluß mehr auf die Neutronenphysik im Kern. In welcher Kernregion sich dieser Zustand einstellt, hängt von der Anzahl der Absorberelemente und dem Absorbergehalt der einzelnen Elemente ab.Using the proposed method, the maximum becomes the axial power density distribution, as it is in a nuclear reactor with a single pass the fuel assemblies, quasi in the middle to lower part of the reactor core postponed. The spherical absorber elements that are in the upper part of the core have the greatest effectiveness, reduce the power density in this area and reduce the fast neutron flux to one that is tolerable for the graphite internals Dose. Together with the fuel elements, they migrate downwards in the reactor, whereby they slowly burn off and lose their effectiveness. In the area where the axial When the power density reaches its maximum, the absorber elements are almost completely burned down and practically no longer have any influence on the neutron physics in the nucleus. In which This state is established in the core region, depends on the number of absorber elements and the absorber content of the individual elements.

In der beigefügten Figur 1 ist der Einfluß verschiedener Mengen Absorbermaterials auf die axiale Leistungsdichteverteilung wiedergegeben. Als Abszisse ist die in Kernregionen unterteilte Kernhöhe gewählt worden, während die Ordinate den schnellen Neutronenfluß angibt. Als Parameter dienen Absorberelemente, die die gleiche Größe haben wie die Brennelemente (6 cm Durchmesser). Der mit I bezeichneten Kurve liegen ca. 3 % Absorberelemente zugrunde; die Kurven II bzw. III ergeben sich mit einem Absorberelementanteil von ca. 4 bzw. 5 %. Der Bor-Einsatz der Absorberelemente beträgt in allen drei Fällen ca. 800 mg natürliches Bor.The attached FIG. 1 shows the influence of different amounts of absorber material reproduced on the axial power density distribution. The abscissa is in Core regions subdivided core height has been chosen, while the ordinate the fast Indicating neutron flux. The parameters used are absorber elements that are the same size have like the fuel elements (6 cm diameter). The curve marked I lie based on approx. 3% absorber elements; the curves II and III result with a Absorber element proportion of approx. 4 and 5%, respectively. The boron use of the absorber elements is in all three cases approx. 800 mg natural boron.

In der Figur 2 ist noch die Einwirkung der Absorberelementzugabe auf die Temperatur des Kühlgases dargestellt, die in der Ordinate wiedergegeben ist. Als Abszisse ist wieder die in Kernregionen unterteilte Kernhöhe gewählt worden. Wie aus den Kurven ersichtlich, haben die unterschiedlichen Absorbermengen (Absorberelementanteile und Borgehalt wie oben) auf die Kerneintritts- und austrittstemperaturen des Kühlgases keinen Einfluß.In the figure 2 is still the effect of the absorber element addition the temperature of the cooling gas shown, which is shown in the ordinate. The core height subdivided into core regions has again been chosen as the abscissa. As can be seen from the curves, the different amounts of absorber (absorber element proportions and boron content as above) on the core inlet and outlet temperatures of the cooling gas no influence.

Die Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung einen HT-Kleinreaktor, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann. Der Kleinreaktor, der in einem Stahldruckbehälter 1 installiert ist, besitzt einen Kern 2 aus einer Schüttung kugelförmiger Brennelemente 4. Die Schüttung ist allseitig von einem Graphitreflektor 3 umgeben. Den Brennelementen 4 ist ein bestimmter Anteil von kugelförmigen Absorberelementen 5 beigemischt. Die Zugabe der Brenn- und Absorberelemente erfolgt durch Beschickungsrohre 6; der Abzug der Elemente aus dem Kern 2 geschieht mit Hilfe eines Kugelauslaßrohres 7. Oberhalb des HT-Kleinreaktors, ebenfalls in dem Stahldruckbehälter 1, ist mindestens ein Dampferzeuger 8 installiert, dem das heiße Kühlgas, das oben aus dem Kern 2 austritt, zugeführt wird.FIG. 3 shows a schematic representation of a small HT reactor, which can be operated with the method according to the invention. The small reactor, installed in a steel pressure vessel 1 has a core 2 made of a Filling of spherical fuel elements 4. The filling is covered on all sides by a graphite reflector 3 surrounded. The fuel elements 4 is a certain proportion of spherical absorber elements 5 mixed in. The fuel and absorber elements are added through feed pipes 6; the withdrawal of the elements from the core 2 takes place with the aid of a spherical outlet tube 7. Above the small HT reactor, also in the steel pressure vessel 1, is at least a steam generator 8 is installed, to which the hot cooling gas coming from the top of the core 2 exits, is supplied.

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Claims (1)

Patentanspruch: Verfahren zum Betreiben eines HT-Kleinreaktors, der kontinuierlich mit kugelförmigen Brennelementen gleichen Durchmessers beschickt wird, die von oben zugegeben und nach unten aus dem Kern abgezogen werden, und dessen Kern von unten nach oben von einem Kühlgas durchströmt wird, das nach seiner Aufheizung mindestens einem oberhalb des Kerns angeordneten Dampferzeuger zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschickung in an sich bekannter Weise zeitlich so durchgeführt wird, daß die Brennelemente (4) bereits nach einmaligem Durchlaufen des Kerns (2) den gewünschten Endabbrand erreicht haben, und daß den Brennelementen (4) ein vorgegebener Anteil von kugelförmigen Absorberelementen (5) mit gleichem Durchmesser wie die Brennelemente (4) beigemischt wird, wobei die Menge des Absorbermaterials so festgelegt ist, daß die axiale Leistungsdichteverteilung ein abgeflachtes Profil aufweist und in der Mitte bis unteren Hälfte des Kerns (2) ein Maximum hat. Claim: Method for operating a small HT reactor, the continuously charged with spherical fuel elements of the same diameter that are added from above and withdrawn from the core from below, and its A cooling gas flows through the core from bottom to top, which after it has been heated is fed to at least one steam generator arranged above the core, thereby characterized in that the charging is carried out in a manner known per se in terms of time becomes that the fuel elements (4) already after one pass through the core (2) have reached the desired final burnup, and that the fuel assemblies (4) a predetermined Proportion of spherical absorber elements (5) with the same diameter as the Fuel elements (4) is admixed, the amount of absorber material being determined in this way is that the axial power density distribution has a flattened profile and has a maximum in the middle to the lower half of the core (2).