CH672205A5

CH672205A5 -

Info

Publication number: CH672205A5
Application number: CH5010/86A
Authority: CH
Inventors: Siegfried Dr Brandes; Claus Dr Elter; Hubert Handel; Dietrich Dr Leithner; Hermann Schmitt; Josef Dr Schoening
Original assignee: Hochtemperatur Reaktorbau Gmbh
Priority date: 1986-01-22
Filing date: 1986-12-18
Publication date: 1989-10-31
Also published as: JPS62172291A; DE3601747A1; US5032349A

Description

BESCHREIBUNG

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Langzeit-Abschaltung eines Hochtemperaturkernreaktors mit einer Schüttung kugelförmiger Betriebselemente in einem Core mittels neutronenabsorbierenden Absorbermaterials sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Beim Abschalten von Kernreaktoren wird unterschieden zwischen Schnell- und Langzeitabschaltung. Eine Schnellabschaltung erfolgt bei Störfällen, die einen Weiterbetrieb des Reaktors nicht zulassen und seine schnelle Ausserbetriebsetzung erfordern.

Die Langzeitabschaltung erfolgt, um den Reaktor plan-mässig ausser Betrieb zu setzen und abgeschaltet zu lassen. 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 Schnellabschaltung wie auch für die Langzeitabschaltung gleich oder verschieden, wenn man sicherheitsbestimmte Redundanzanforderungen ausser Betracht lässt.

Bei Hochtemperaturkernreaktoren, die eine Schüttung kugelförmiger Betriebselemente aufweisen, sind hierzu unterschiedliche Lösungen vorgeschlagen worden.

Beim AVR-Kugelhaufenreaktor dienen insgesamt vier Absorberstäbe, die in das Core von unten her eingeführt werden, sowohl zur Regelung als auch zur Abschaltung des Reaktors, wobei jeweils nur zwei Absorberstäbe hierfür erforderlich sind. Die Absorberstäbe sind in Graphitsäulen 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-Hochtemperaturre-aktor bekannt, bei welchem die Regelung und die Abschaltung des Reaktors ebenfalls mittels Absorberstäben vorgesehen ist.

Die Schnellabschaltung erfolgt hier mittels der in Bohrungen 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 Beanspruchung infolge des Reib- und Behaarungswiderstandes, den die Betriebselemente dem eindringenden Stab entgegen2

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gesetzen. Bei Ausfall eines Antriebs ist das Erreichen der zur Abschaltung erforderlichen Eintauchtiefe des zugehörigen Stabes erschwert.

Die DE-OS 3 212 264 beschreibt eine Anordnung von Absorbern in einem Hochtemperaturkernreaktor, bei der unterhalb 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 vorspringen und weitere Absorberstäbe aufnehmen. Als diversi-täre Abschalteinrichtung sind zusätzlich sogenannte Kleinabsorberkugeln vorgesehen, die in die Brennelementschüttung zusätzlich eingebracht werden können.

Erfahrungsgemäss ist bei Coreabmessungen, die im Durchmesser etwa 2,5 m und in der Höhe etwa 5,5 m überschreiten, die Wirksamkeit der im Seitenreflektor befindlichen Absorber für eine Langzeitabschaltung nicht mehr gewährleistet. Es sind daher weitere Absorber innerhalb des Cores erforderlich.

Die beim AVR-Kugelhaufenreaktor verwirklichte Lösung bedient sich einer zum Zentrum des Cores hin orientierten Plazierung der Absorberstäbe. Von Nachteil ist die durch die hierfür erforderlichen Stabantriebe bedingte erhebliche 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 Antriebe auch entsprechend kräftig ausgelegt werden, um die hohen Stellkräfte, die aus dem Eindringwiderstand der Kugelschüttung und der Reibung beim Einfahren resultieren zu überwinden. Trotzdem ist die Einfahrtiefe wegen der hohen Kräfte auf etwa 5,5 m begrenzt. Die Kosten für derartige Antriebe sind ebenfalls hoch. Mit dem Direkteinfahren in die Kugelschüttung ergibt sich aber auch ein weiteres bisher nicht relevantes Problem. Infolge der Kräfte, die beim Einfahren auf die Betriebselemente wie auch auf die keramischen Einbauten wirken, können Schäden daran hervorgerufen werden, wie z. B. Kugelbruch und damit Spaltstoffrei-setzung.

Ein weiteres Problem ist darin zu sehen, dass die metallischen Hüllrohre der Absorberstäbe den hohen Temperaturen in einem - allerdings hypothetischen - Störfall nicht standhalten könnten.

Als letztes ist die Möglichkeit aufgezeigt, Kleinabsorberkugeln in die Schüttung der Betriebselemente einzubringen. Damit ist sicher ein Abschalten des Reaktors entsprechend der eingebrachten Menge an Absorbermaterial erreichbar. Allerdings ist bei Kernreaktoren mit Mehrfachdurchlauf 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 Entfernen der Absorberkugeln aus dem Core. Dieses ist umständlich und nur durch Umwälzen der Kugelschüttung mit einhergehendem 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 Verfahren zum Abschalten eines Hochtemperaturreaktors der oberbegrifflichen Art sowie eine Einrichtung zur Durchführung 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 gestaltet 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 Schüttung kugelförmiger Betriebselemente enthält, einzubringen, dass keine Vermischung von Betriebs- und Absorberelementen erfolgt. Wesentlich hierbei ist ein kernnahes Einbringen, um die Reaktivität des Reaktors wirksam zu drosseln.

Kernnah bedeutet in diesem Zusammenhang in einem -bei Beschickung - die Kettenreaktion unterbrechendem Abstand zur Mittelachse des Kernreaktors. Diese räumliche Festlegung resultiert aus der zur Abschaltung, das heisst zur Unterbrechung der Kettenreaktionen, erforderlichen Absorptionsleistung des Absorbermaterials.

Wie bereits vorstehend erläutert, ist aus neutronenphysikalischen Gründen bei Erreichen bestimmter Coreabmessungen 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 werden die Absorberelemente von oben dem Core zugeführt und nach unten aus dem Core abgezogen. In zweckmässiger Gestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, die abgezogenen Absorberelemente abhängig von ihrer Absorptionsfähigkeit 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 erfindungsgemässen Verfahrens verdeutlichen die Vorteile gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Massnahmen zum Abschalten von Hochtemperatur-Kernreaktoren.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Einrichtung vorgesehen, mit der das erfindungsgemässe Verfahren sicher und ohne zusätzliche Massnahmen durchgeführt werden kann.

Entsprechend den oberbegrifflichen Merkmalen des Patentanspruchs 4 wird ausgegangen von einem kreiszylindrischen mit einer Schüttung kugelförmiger Betriebselemente gefüllten Core eines Hochtemperatur-Kernreaktors, das von einem Seitenreflektor aus Graphit koaxial umgeben 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 Absorbermaterial 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 möglichst nahe dem Zentrum des Cores sind und das eingebrachte Absorbermaterial seine Wirksamkeit voll entfalten 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

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ebenfalls die Ausgestaltung der Vorsprünge. Diese sind aus aufeinander gestapelten Graphitblöcken gebildet, welche kraft- und formschlüssig mit dem Seitenreflektor, aus welchem sie radial hervortreten, verbunden sind. Die Grösse der Graphitblöcke, die auch als Nasensteine bezeichnet werden, richtet sich nach den Herstellmöglichkeiten, insbesondere aber nach den neutroneninduzierten Eigenspan-nungszuständen im Graphit, die wiederum von der Block-grösse bestimmt sind. Um die aus den neutroneninduzierten Eigenspannungen resultierenden Dehnungen, die zu Formänderungen der Graphitblöcke führen, zu kompensieren, sind mehrere Massnahmen verwirklicht.

Zunächst sind vorteilhafterweise alle dem Core und damit der Neutronenstrahlung ausgesetzten Oberflächen der Vorsprünge mit rastermässig angeordneten schlitzartigen Ausnehmungen versehen. Auf diese Weise wird der der neutroneninduzierten Dehnungsbeanspruchung ausgesetzte oberflächennahe Bereich der Graphitblöcke wirksam aufgeteilt in kleine Blockelemente, bei denen sich die Dehnungsbeanspruchung nicht mehr nachteilig auf die Geometrie der Nasensteine auswirkt.

Darüber hinaus ist vorteilhafterweise 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 Eigenspannungen, welche aus Neutronenbestrahlung resultieren, durch entsprechende Beweglichkeit der den Hohlraum begrenzenden Seiten- bzw. Stirnwände abgebaut.

Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, sollen die Erfindung, vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung sowie weitere Vorteile näher erläutert und beschrieben werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Reaktordruckbehälter mit keramischen Einbauten im Längsschnitt,

Fig. 2 einen 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 Reaktordruckbehälter 10 aus Spannbeton für einen Hochtemperatur-Kernreaktor, der in seinem Innenraum, dem sogenannten Core 12, einen Seitenreflektor 14 aufweist, welcher vorzugsweise aus einzelnen Graphitblöcken 16 besteht, die zu den keramischen Einbauten zählen und ringförmig angeordnet lagenweise aufeinander geschichtet sind. Die einzelnen Graphitblöcke 16 schliessen formschlüssig aneinander an. In diesem so begrenzten Innenraum 12 befindet sich eine hier nicht näher gezeigte Schüttung kugelförmiger Betriebselemente.

Nahe der Mittelachse des Reaktordruckbehälters 10 befinden 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 Hohlräume 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 Nasensteinen 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 mittels unterhalb angeordneter Abzugsrohre 24 aus den Hohlräumen 18 abgezogen.

Ein zentral an den Reaktordruckbehälter 10 von unten anschliessendes Kaltgasrohr 26 dient zur Zufuhr von Kühlgas, 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 Reaktordruckbehälter 10 gemäss Fig. 1 wiedergegeben. Deutlich zu erkennen sind vier radial in den Innenraum 12 ragende Vorsprünge 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 lagen weise 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 keramischen Einbautenkerner durchdringen, sind mittels durchgehenden ebenfalls achsparallelen Spalten 21 mit dem Innenraum 12 des Reaktordruckbehälters 10 verbunden.

In Fig. 4 ist der Querschnitt durch einen Reaktordruckbehälter 10 gemäss Fig. 3 gezeigt. Klar zu erkennen sind die im Unterschied zu der aus Fig. 2 bekannten Darstellung 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 einzelenen Graphitblöcke 16 zu erkennen. Diese Schlitze dienen zur Verringerung der spezifischen Oberfläche und damit zur Minderung dehnungsindu-zierter Eigenspannungen im Graphit, welche durch die Neutronenstrahlung hervorgerufen werden.

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung des Beschik-kungs- und Entnahme Verfahrens des Absorbermaterials.

Gezeigt ist der Reaktordruckbehälter 10 an dessen Unterseite ein Abzugsrohr 24 anschliesst, durch welches das Absorbermaterial zu einer Prüf- und Selektionseinrichtung 30 gelangt. Hier wird das jeweils verbliebene Restabsorptionsvermögen der einzelnen Absorberelemente ermittelt. Davon abhängig gelangen die Absorberelemente entweder in ein Sammelgefäss 32 für verbrauchtes Absorbermaterial 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.

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672205 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Langzeitabschaltung eines Hochtemperaturkernreaktors mit einer Schüttung kugelförmiger Betriebselemente in einem Core mittels neutronenabsorbierenden Absorbermaterials, dadurch gekennzeichnet, dass das aus kugelförmigen Absorberelementen bestehende Absorbermaterial in einem - bei Beschickung - die Kettenreaktion unterbrechenden Abstand zur Mittelachse des Kernreaktors in die Schüttung der kugelförmigen Betriebselemente eingebracht wird und diese säulenförmig vertikal durchsetzt, wobei eine Vermischung des Absorbermaterials mit den Betriebselementen unterbleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorbermaterial von oben dem Core (12) zugeführt und unterhalb des Cores (12) abgezogen wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, 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 Anspruch 1, mit einem Seitenreflektor aus Graphit, der das mit einer Schüttung kugelförmiger Betriebselemente gefüllte kreiszylindrische Core eines Hochtemperaturkernreaktors koaxial umgibt, in welches Core gleichmässig am Umfang verteilt angeordnet wenigstens zwei nasenartige Vorsprünge radial hineinragen, die jeweils einen vertikalen Hohlraum zur Aufnahme von Absorbermaterial aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der vertikale Hohlraum (18) in einem -bei Beschickung - die Kettenreaktion unterbrechenden Abstand zur Mittelachse des Kernreaktors im Bereich der dem Core (12) zugewandten Stirnseite jedes Vorsprungs (15) angeordnet ist und dass das in den Hohlraum (18) aus einem oberhalb des Cores (12) angeordneten Vorratsbehälter (20) mittels Schwerkraft einbringbare schüttfähige Absorbermaterial die um die Vorsprünge (15) eingefüllte Schüttung kugelförmiger Betriebselemente säulenförmig vertikal durchsetzt und deren Neutronenstrahlung absorbiert.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (15) aus aufeinander gestapelten Graphitblöcken (16) gebildet sind, deren dem Core (12) zugewandte Oberflächen mit rastermässig angeordneten oberflächennahen Schlitzen (17) versehen sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Vorsprünge (15) einen durchgehenden vertikalen Spalt (21) aufweist, durch welchen der jeweilige Hohlraum (18) mit dem Core (12) kommuniziert.

7. Einrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächennahen Schlitze (17) und der durchgehende Spalt (21) so ausgebildet sind, dass Beschädigungen der Graphitblöcke (16) infolge durch Neutronenstrahlung induzierte Dehnungen, welche zu Eigenspannungen führen, verhindert werden.

8. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikalen Hohlräume (18) mit einem gemeinsamen Vorratsbehälter (20) für die Absorberelemente verbunden sind.

9. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, 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 j eder vertikale Hohlraum ( 18) mit einem Abzugsrohr (24)

verbunden ist, das unterhalb des Core (12) angeordnet ist und zum Abziehen der Absorberelemente dient.

11. Einrichtung nach den Ansprüchen 4undl0zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzugsrohre (24) mit einer Prüf-und Selektionseinrichtung (30) mit daran anschliessender Fördereinrichtung (34) verbunden sind, welche die absorptionsfähigen Absorberelemente in den Vorratsbehälter (20) fördert.

12. Einrichtung nach den Ansprüchen 4 und 8 oder 4 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb und unterhalb der vertikalen Hohlräume (18) fernbetätigte Schliesselemente (23) angeordnet sind, welche zum bestimmungsgemässen Befüllen und Leeren der Hohlräume (18) mit Absorbermaterial dienen und hierzu verschlossen oder geöffnet sind.