DE3601747A1 - Abschalten eines hochtemperaturreaktors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum längerfristigen Abschalten eines Hochtemperaturkernreaktors mit einer Schüttung kugelförmiger Betriebselemente in einem Core mittels neutronenabsorbierendem Absorbermaterial sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Beim Abschalten von Kernreaktoren wird unterschieden zwischen Schnell- und Langzeitabschaltung. Eine Schnell­ abschaltung erfolgt bei Störfällen, die einen Weiterbe­ trieb des Reaktors nicht zulassen und seine schnelle Außerbetriebsetzung erfordern.

Die Langzeitabschaltung erfolgt, um den Reaktor plan­ mäßig außer Betrieb zu setzen und abgeschaltet zu las­ sen. Die Reaktivitätsdrosselung erfolgt hierbei in der Regel langsamer als bei der Schnellabschaltung.

Anlagenbedingt, das heißt abhängig von Art und Größe des Kernreaktors, sind die Einrichtungen für die Schnellab­ schaltung wie auch für die Langzeitabschaltung gleich oder verschieden, wenn man sicherheitsbestimmte Redun­ danzanforderungen außer Betracht läßt. Bei Hochtemperaturkernreaktoren, die eine Schüttung kugelförmiger Betriebselemente aufweisen, sind hierzu unterschiedliche Lösungen vorgeschlagen worden.

Beim AVR-Kugelhaufenreaktor dienen insgesamt vier Absor­ berstäbe, die in das Core von unten her eingeführt wer­ den, sowohl zur Regelung als auch zur Abschaltung des Reaktors, wobei jeweils nur zwei Absorberstäbe hierfür erforderlich sind. Die Absorberstäbe sind in Graphit­ säulen geführt, die konzentrisch im Core angeordnet von den Betriebselementen des Kugelhaufens umgeben sind. Auf diese Weise ist ein reibungsfreies Ein- und Ausfahren der Absorberstäbe gewährleistet.

Eine andere Gestaltung ist vom THTR-Hochtemperaturreak­ tor bekannt, bei welchem die Regelung und die Abschal­ tung des Reaktors ebenfalls mittels Absorberstäben vor­ gesehen ist.

Die Schnellabschaltung erfolgt hier mittels der in Boh­ rungen im Seitenreflektor geführten leicht beweglichen Reflektorstäbe. Deren Absorptionsvermögen reicht jedoch - aufgrund der Abmessungen des Reaktorkerns - nicht aus, um den Reaktor längerfristig unterkritisch zu halten. Zu diesem Zweck sind gleichmäßig über den Corequerschnitt angeordnete Corestäbe vorgesehen, die von entsprechend kräftigen Antrieben betätigt von oben her direkt in die Schüttung der kugelförmigen Betriebselemente eingefahren werden. Hierbei unterliegen sowohl die Absorberstäbe als auch die Betriebselemente einer starken mechanischen Be­ anspruchung infolge des Reib- und Behaarungswiderstan­ des, den die Betriebselemente dem eindringenden Stab entgegensetzen. Bei Ausfall eines Antriebs ist das Er­ reichen der zur Abschaltung erforderlichen Eintauchtiefe des zugehörigen Stabes erschwert.

Die DE-OS 32 12 264 beschreibt eine Anordnung von Absor­ bern in einem Hochtemperaturkernreaktor, bei der unter­ halb des Reaktorcores angeordnete Stabantriebe dazu dienen, Absorberstäbe in Bohrungen im Seitenreflektor von unten einzuführen.

Ergänzend hierzu weist der Seitenreflektor Graphitnasen mit Bohrungen auf, die in die Brennelementschüttung vor­ springen und weitere Absorberstäbe aufnehmen. Als diver­ sitäre Abschalteinrichtung sind zusätzlich sogenannte Kleinabsorberkugeln vorgesehen, die in die Brennelement­ schüttung zuzätzlich eingebracht werden können.

Erfahrungsgemäß ist bei Coreabmessungen, die im Durch­ messer etwa 2,5m und in der Höhe etwa 5,5m überschrei­ ten, die Wirksamkeit der im Seitenreflektor befindlichen Absorber für eine Langzeitabschaltung nicht mehr gewähr­ leistet. Es sind daher weitere Absorber innerhalb des Cores erforderlich.

Die beim AVR-Kugelhaufenreaktor verwirklichte Lösung be­ dient sich einer zum Zentrum des Cores hin orientierten Plazierung der Absorberstäbe. Von Nachteil ist die durch die hierfür erforderlichen Stabantriebe bedingte erheb­ liche Bauhöhe, ganz abgesehen von dem für die Antriebe notwendigen Raum.

Beim THTR-Hochtemperaturreaktor werden Absorberstäbe direkt in den Kugelhaufen eingefahren. Abgesehen davon, daß auch hier wiederum Antriebe erforderlich sind, die ebenfalls aufgrund der Vielzahl an Stäben einen nicht unerheblichen Platzbedarf verursachen, müssen die An­ triebe auch entsprechend kräftig ausgelegt werden, um die hohen Stellkräfte, die aus dem Eindringwiderstand der Kugelschüttung und der Reibung beim Einfahren re­ sultieren, zu überwinden. Trotzdem ist die Einfahrtiefe wegen der hohen Kräfte auf etwa 5,5 m begrenzt. Die Ko­ sten für derartige Antriebe sind ebenfalls hoch. Mit dem Direkteinfahren in die Kugelschüttung ergibt sich aber auch ein weiteres bisher nicht relevantes Pro­ blem. Infolge der Kräfte, die beim Einfahren auf die Be­ triebselemente wie auch auf die keramischen Einbauten wirken, können Schäden daran hervorgerufen werden, wie z.B. Kugelbruch und damit Spaltstoffreisetzung. Ein weiteres Problem ist darin zu sehen, daß die metal­ lischen Hüllrohre der Absorberstäbe den hohen Tempera­ turen in einem - allerdings hypothetischen - Störfall nicht standhalten könnten.

Als letztes ist die Möglichkeit aufgezeigt, Kleinabsor­ berkugeln in die Schüttung der Betriebselemente einzu­ bringen. Damit ist sicher ein Abschalten des Reaktors entsprechend der eingebrachten Menge an Absorbermaterial erreichbar. Allerdings ist bei Kernreaktoren mit Mehr­ fachdurchlauf der Betriebselemente wegen ungünstiger axialer Verteilung der Kugeln im Core deren Wirksamkeit dann eingeschränkt.

Aus dem gleichen Grund ist dieses Abschaltprinzip auch nur brauchbar bei Coreabmessungen bis zu einer Höhe von 5,5 m.

Eine weitere Schwierigkeit stellt sich ein beim Entfer­ nen der Absorberkugeln aus dem Core. Dieses ist umständ­ lich und nur durch Umwälzen der Kugelschüttung mit ein­ hergehendem Aussortieren der Absorberkugeln und unter gleichzeitigem Einfahren von Absorberstäben möglich, um einen sprunghaften Anstieg der Kritikalität des Reaktors zu verhindern. Darüber hinaus können die Absorberkugeln in Spalten des Bodenreflektors des Cores eindringen und so den Reaktorbetrieb nicht unerheblich beeinträchtigen.

Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik stellt sich der Erfindung die Aufgabe, ein zuverlässiges Ver­ fahren zum Abschalten eines Hochtemperaturreaktors der oberbegrifflichen Art sowie eine Einrichtung zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens anzugeben, die jederzeit zur Abschaltung des Reaktors verfügbar ist, ohne daß es in der Zwischenzeit, wenn der Reaktor sich im Leistungsbetrieb befindet zu Betriebsstörungen kommt. Ferner soll die Einrichtung möglichst kostengünstig ge­ staltet sein und einen störungsfreien Langzeitbetrieb sicher gewährleisten.

Die Lösung der Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 und 4.

Danach ist vorgesehen, das zur Abschaltung erforderliche Absorbermaterial in Form kugelähnlicher Absorberelemente mittels Schwerkraft so in das Core, welches eine Schüt­ tung kugelförmiger Betriebselemente enthält, einzubrin­ gen, daß keine Vermischung von Betriebs- und Absorber­ elementen erfolgt. Wesentlich hierbei ist ein kernnahes Einbringen, um die Reaktivität des Reaktors wirksam zu drosseln.

Kernnah bedeutet in diesem Zusammenhang nahe dem Mittel­ punkt des Corequerschnitts, das heißt in geringem Ab­ stand zur Mittelachse des Reaktorkerns. Diese räumliche Festlegung resultiert aus der zur Abschaltung, das heißt zur Unterbrechung der Kettenreaktionen, erforderlichen Absorptionsleistung des Absorbermaterials.

Wie bereits vorstehend erläutert, ist aus neutronen­ physikalischen Gründen bei Erreichen bestimmter Coreab­ messungen eine längerfristige Abschaltung des Reaktors nur gewährleistet, wenn auch im kernnahen Bereich, das heißt im Zentrum der Schüttung der Betriebselemente, der dort vorhandene Neutronenfluß verringert bzw. absorbiert wird.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung des Verfahrens wer­ den die Absorberelemente von oben dem Core zugeführt und nach unten aus dem Core abgezogen. In zweckmäßiger Ge­ staltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, die abge­ zogenen Absorberelemente abhängig von ihrer Absorptions­ fähigkeit zu sammeln und für die erneute Beschickung des Cores vorzusehen. Hierfür werden die Absorberelemente zunächst auf ihr Absorptionsvermögen geprüft und dann entsprechend selektiert. Die Lösungsmerkmale des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens verdeutlichen die Vorteile gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Maß­ nahmen zum Abschalten von Hochtemperatur-Kernreaktoren.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Ein­ richtung vorgesehen, mit der das erfindungsgemäße Ver­ fahren sicher und ohne zusätzliche Maßnahmen durchge­ führt werden kann.

Entsprechend den oberbegrifflichen Merkmalen des Patent­ anspruchs 4 wird ausgegangen von einem kreiszylindri­ schen mit einer Schüttung kugelförmiger Betriebselemente gefüllten Core eines Hochtemperatur-Kernreaktors, das von einem Seitenreflektor aus Graphit konzentrisch umge­ ben ist und wenigstens zwei gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnete nasenartige Vorsprünge aufweist, die radial in das Core hineinragen. In den Vorsprüngen sind vertikale Hohlräume zur Aufnahme von Absorbermate­ rial angeordnet.

Die Lösung der genannten konstruktiven Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 4. Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Hohlräume in den Vorsprüngen corenah, das heißt im Bereich deren freien Stirnseiten anzuordnen, damit sie einerseits mög­ lichst nahe dem Zentrum des Cores sind und das einge­ brachte Absorbermaterial seine Wirksamkeit voll entfal­ ten kann, und es andererseits zu keiner Vermischung mit dem Brennstoffinventar des Reaktors, das heißt mit den im Core aufgeschütteten Betriebselementen, kommt. Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung betrifft ebenfalls die Ausgestaltung der Vorsprünge. Diese sind aus aufeinander gestapelten Graphitblöcken gebildet, welche kraft- und formschlüssig mit den Seitenreflektor, aus welchem sie radial hervortreten, verbunden sind. Die Größe der Graphitblöcke, die auch als Nasensteine be­ zeichnet werden, richtet sich nach den Herstellmöglich­ keiten, insbesondere aber nach den neutroneninduzierten Eigenspannungszuständen im Graphit, die wiederum von der Blockgröße bestimmt sind. Um die aus den neutronenindu­ zierten Eigenspannungen resultierenden Dehnungen, die zu Formänderungen der Graphitblöcke führen, zu kompensie­ ren, sind erfindungsgemäß mehrere Maßnahmen verwirk­ licht.

Zunächst sind alle dem Core und damit der Neutronen­ strahlung ausgesetzten Oberflächen der Vorsprünge mit rastermäßig angeordneten schlitzartigen Ausnehmungen versehen. Auf diese Weise wird der der neutronenindu­ zierten Dehnungsbeanspruchung ausgesetzte oberflächen­ nahe Bereich der Graphitblöcke wirksam aufgeteilt in kleine Blockelemente, bei denen sich die Dehnungsbean­ spruchung nicht mehr nachteilig auf die Geometrie der Nasensteine auswirkt.

Darüber hinaus ist aus dem gleichen Grund vorgesehen, den vertikalen Hohlraum in jedem Vorsprung mittels eines achsparallelen durchgehenden Spaltes mit dem Core zu verbinden. Auf diese Weise werden ebenfalls Eigenspan­ nungen, welche aus Neutronenbestrahlung resultieren, durch entsprechende Beweglichkeit der den Hohlraum be­ grenzenden Seiten- bzw. Stirnwände abgebaut.

Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Ver­ besserungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, sollen die Erfindung, vor­ teilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfin­ dung sowie weitere Vorteile näher erläutert und be­ schrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Reaktordruckbehälter mit keramischen Einbauten im Längsschnitt,

Fig. 2 eine Reaktordruckbehälter mit keramischen Einbauten im Querschnitt,

Fig. 3 einen Reaktordruckbehälter mit keramischen Einbauten im Längsschnitt,

Fig. 4 einen Reaktordruckbehälter mit keramischen Einbauten im Querschnitt,

Fig. 5 Seitenansicht eines Nasensteins,

Fig. 6 Schemaskizze des Verfahrens.

Fig. 1 zeigt den Längsschnitt durch einen Reaktordruck­ behälter 10 aus Spannbeton für einen Hochtemperatur- Kernreaktor, der in seinem Innenraum, dem sogenannten Core 12, einen Seitenreflektor 14 aufweist, welcher vor­ zugsweise aus einzelnen Graphitblöcken 16 besteht, die zu den keramischen Einbauten zählen und ringförmig ange­ ordnet lagenweise aufeinander geschichtet sind. Die ein­ zelnen Graphitblöcke 16 schließen formschlüssig anein­ ander an. In diesem so begrenzten Innenraum 12 befindet sich eine hier nicht näher gezeigte Schüttung kugelför­ miger Betriebselemente.

Nahe der Mittelachse des Reaktordruckbehälters 10 befin­ den sich achsparallele ineinander fluchtende Hohlräume 18, welche zur Aufnahme von Absorbermaterial dienen. Das Absorbermaterial wird erfindungsgemäß als schüttfähiges Material in kugelähnlicher Form von einem oberhalb des Reaktordruckbehälters 10 angeordneten Vorratsbehälter 20 über entsprechende Verbindungsleitungen 22 in die Hohl­ räume 18 geleitet. Die Hohlräume 18 haben kreisrunden oder ovalen Querschnitt und werden im Anforderungsfall, das heißt, zur längerfristigen Außerbetriebsetzung des Reaktors, mit Absorbermaterial gefüllt, so daß in jedem Hohlraum 18 eine Absorbersäule gebildet ist.

Die kernnahe Anordnung der Hohlräume 18 in den Nasen­ steinen 16 gewährleistet, daß auch im kernnahen Bereich des Reaktors dessen Reaktivität in ausreichendem Maß in Folge Absorption der Neutronenstrahlung vermindert wird. Zum Anfahren des Reaktors wird das Absorbermaterial mit­ tels unterhalb angeordneter Abzugsrohre 24 aus den Hohl­ räumen 18 abgezogen.

Ein zentral an den Reaktordruckbehälter 10 von unten an­ schließendes Kaltgasrohr 26 dient zur Zufuhr von Kühl­ gas, welches nach Aufnahme der Wärme im Reaktor durch oberhalb an den Reaktordruckbehälter 10 anschließendes Heißgasrohr 28 abströmt.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch einen Reaktordruck­ behälter 10 gemäß Fig. 1 wiedergegeben. Deutlich zu er­ kennen sind vier radial in den Innenraum 12 ragende Vor­ sprünge 15, welche ebenfalls Bestandteil der keramischen Einbauten sind und jeweils an ihrem freien Ende einen Hohlraum 18 aufweisen. Die Vorsprünge 15 sind jeweils um 90° zueinander versetzt angeordnet und formschlüssig in dem ringförmig an dem Mantel des Reaktordruckbehälters 10 anschließenden Seitenreflektor 16, der lagenweise aus einzelnen Graphitblöcken gebildet ist, verankert.

Fig. 3 zeigt eine ähnliche Anordnung, wie sie aus Fig. 1 bereits bekannt ist. Daher sind die identischen Teile auch mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Der erkennbare Unterschied zwischen beiden Anordnungen besteht in der abweichenden Gestaltung der Hohlräume 19. Diese Hohlräume 19, die achsparallel zur Mittelachse des Reaktordruckbehälters 10 die einzelnen Lagen der kerami­ schen Einbautenkerner durchdringen, sind mittels durch­ gehenden ebenfalls achsparallelen Spalten 21 mit dem Innenraum 12 des Reaktordruckbehälters 10 verbunden.

In Fig. 4 ist der Querschnitt durch einen Reaktordruck­ behälter 10 gemäß Fig. 3 gezeigt. Klar zu erkennen sind die im Unterschied zu der aus Fig. 2 bekannten Darstel­ lung in die Stirnseiten der Vorsprünge 15 eingelassenen Spalte 21, welche die Hohlräume 19 mit dem Innenraum 12 des Reaktordruckbehälters verbinden.

Aus Fig. 5, welche die Seitenansicht eines Nasensteins 15 innerhalb des Cores 12 eines Reaktordruckbehälters 10 zeigt, ist die Anordnung von Schlitzen 17 auf der zum Core 12 hin zugewandten Oberfläche der einzelnen Gra­ phitblöcke 16 zu erkennen. Diese Schlitze dienen zur Verringerung der spezifischen Oberfläche und damit zur Minderung dehnungsinduzierter Eigenspannungen im Gra­ phit, welche durch die Neutronenstrahlung hervorgerufen werden.

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung des Be­ schickungs- und Entnahmeverfahrens des Absorbermate­ rials.

Gezeigt ist der Reaktordruckbehälter 10 an dessen Unter­ seite ein Abzugsrohr 24 anschließt, durch welches das Absorbermaterial zu einer Prüf- und Selektionseinrich­ tung 30 gelangt. Hier wird das jeweils verbliebene Rest­ absorptionsvermögen der einzelnen Absorberelemente er­ mittelt. Davon abhängig gelangen die Absorberelemente entweder in ein Sammelgefäß 32 für verbrauchtes Absor­ bermaterial oder mittels einer Fördereinrichtung 34 über eine Förderleitung 36 in den Vorratsbehälter 20, von wo aus die Beschickung des Reaktordruckbehälters über die Leitung 22 erfolgt.

In den Leitungen 22 und 24 installierte, fernbetätigbare und schaltungsmäßig miteinander verknüpfte Schließein­ richtungen 23 dienen zum störungsfreien Befüllen und Entleeren des Absorbermaterials.

Claims (12)

1. Verfahren zum längerfristigen Abschalten eines Hochtemperaturkernreaktors mit einer Schüttung kugelför­ miger Betriebselemente in einem Core mittels neutronen­ absorbierendem Absorbermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß das aus kugelförmigen Absorberelementen bestehende Absorbermaterial kernnah in die Schüttung der kugelför­ migen Betriebselemente eingebracht wird und diese säu­ lenförmig vertikal durchsetzt, wobei eine Vermischung des Absorbermaterials mit den Betriebselementen unter­ bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Absorbermaterial von oben dem Core (12) zu­ geführt und unterhalb des Cores (12) abgezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das abgezogene Absorbermaterial auf seine Absorptionsfähigkeit überprüft und dementsprechend selektiert wird, wobei das ausreichend absorptionsfähige Absorbermaterial einem Vorratsbehälter (20) zugeführt wird, von welchem aus die erneute Beschickung des Cores (12) mit Absorberelementen erfolgt, so daß ein Kreislauf entsteht.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruchs 1, mit einem Seitenreflektor aus Graphit, der das mit einer Schüttung kugelförmiger Betriebselemente gefüllte kreiszylindrische Core eines Hochtemperatur­ kernreaktors konzentrisch umgibt, in welches Core gleichmäßig am Umfang verteilt angeordnet wenigstens zwei nasenartige Vorsprünge radial hineinragen, die je­ weils einen vertikalen Hohlraum zur Aufnahme von Absor­ bermaterial aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der vertikale Hohlraum (18) kernnah im Bereich der dem Core (12) zugewandten Stirnseite jedes Vorsprungs (15) ange­ ordnet ist und daß in den Hohlraum (18) aus einem ober­ halb des Cores (12) angeordneten Vorratsbehälter (20) mittels Schwerkraft gelangende schüttfähige Absorber­ material die um die Vorsprünge (15) eingefüllte Schüt­ tung kugelförmiger Betriebselemente säulenförmig durch­ setzt und deren Neutronenstrahlung absorbiert.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorsprünge (15) aus aufeinander gesta­ pelten Graphitblöcken (16) gebildet sind, deren dem Core (12) zugewandte Oberflächen mit rastermäßig angeordneten oberflächennahen Schlitzen (17) versehen sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder der Vorsprünge (15) einen durch­ gehenden vertikalen Spalt (21) aufweist, durch welchen der jeweilige Hohlraum (18) mit dem Core (12) kommuni­ ziert.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die oberflächennahen Schlitze (17) und der durchgehende Spalt (21) dazu dienen, durch Neutro­ nenstrahlung Beschädigungen der Graphitblöcke (16) in­ folge durch Neutronenstrahlung induzierte Dehnungen, welche zu Eigenspannungen führen, zu verhindern.

8. Einrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die vertikalen Hohlräume (18) mit einem gemeinsamen Vorratsbehälter (20) für die Absorber­ elemente verbunden sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeder vertikale Hohlraum (18) mit einem ihm jeweils zugeordneten Vorratsbehälter (20) für Absorberelemente verbunden ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 4 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder vertikale Hohlraum (18) mit einem Abzugsrohr (24) verbunden ist, das unterhalb des Core (12) ange­ ordnet ist und zum Abziehen der Absorberelemente dient.

11. Einrichtung nach Anspruch 4 und 10 zur Durch­ führung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abzugsrohre (24) mit einer Prüf- und Selektionseinrichtung (30) mit daran anschließender För­ dereinrichtung (34) verbunden sind, welche die absorp­ tionsfähigen Absorberelemente in den Vorratsbehälter (20) fördert.

12. Einrichtung nach den Ansprüchen 4, 8 und 9, da­ durch gekennzeichnet, daß oberhalb und unterhalb der vertikalen Hohlräume (18) fernbetätigbare Schließelemen­ te (23) angeordnet sind, welche zum bestimmungsgemäßen Befüllen und Leeren der Hohlräume (18) mit Absorberma­ terial dienen und hierzu verschlossen oder geöffnet sind.