DE1191049B

DE1191049B - Process for achieving a uniform power density in gas-cooled pebble bed high-temperature nuclear reactors

Info

Publication number: DE1191049B
Application number: DEB61520A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Rudolf Schulten
Original assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; Beteiligungs und Patentverwaltungs GmbH
Current assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; Beteiligungs und Patentverwaltungs GmbH
Priority date: 1961-03-04
Filing date: 1961-03-04
Publication date: 1965-04-15
Also published as: BE614603A; GB918907A; NL269759A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. Cl.:Int. Cl .:

G 21 G 21

Deutsche KL: 21g-21/20 German KL: 21g -21/20

Nummer: 1191 049Number: 1191 049

Aktenzeichen: B 61520 VIII c/21 gFile number: B 61520 VIII c / 21 g

Anmeldetag: 4. März 1961Filing date: March 4, 1961

Auslegetag: 15. April 1965Opening day: April 15, 1965

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzielung einer gleichmäßigen, von der Radialkoordinate unabhängigen Leistungsdichte eines Kugelhaufen-Hochtemperaturreaktors mit in der Achse des zylindrischen Kerns liegenden Einführungs- und Ablaßkanälen für die Beschickung des Kerns mit Brennstoff-, Brutstoff- und Blind-Elementen durch Einstellung einer vorgegebenen statistischen Verteilung dieser Elemente innerhalb der freien Aufschüttung des Kugelhaufens. Kernreaktoren, bei denen der Brennstoff in Form einer Schüttung gleichgestalteter Formkörper, vorzugsweise Kugeln, vorliegt, haben hinsichtlich ihres Aufbaues und ihrer Betriebsbedingungen erhebliche Vorteile. Vielfach sind dort Kugeln aus einem Moderatorstoff (z. B. Graphit) vorgesehen, in die der Brennstoff eingebettet ist.The present invention relates to a method for achieving a uniform, of the radial coordinate independent power density of a pebble bed high temperature reactor with in the axis of the cylindrical core lying inlet and outlet channels for charging the Kerns with fuel, breeding material and dummy elements by setting a predetermined statistical distribution of these elements within the free embankment of the globular pile. Nuclear reactors, in which the fuel is in the form of a bed identical shaped bodies, preferably spheres, are present in terms of their structure and their operating conditions have significant advantages. Often there are balls made of a moderator material (e.g. graphite) in which the fuel is embedded.

Bei einem solchen Kernreaktor mit einer gleichmäßigen Formkörperschüttung ergibt sich aus geometrischen Gründen im Zentrum der Schüttung eine größere Neutronendichte als in den Randzonen. Ihr Produkt mit dem makroskopischen örtlichen Spaltquerschnitt ist der örtlichen Leistungsdichte proportional. Zur gleichmäßigen Brennstoffausnutzung und zur Erzielung einer maximalen Gesamtleistung ist aber die Neutronendichte und damit die Leistungsdichte über alle Gebiete der Schüttung möglichst gleichmäßig zu gestalten. Diese Aufgabe soll die vorliegende Erfindung mit besonders einfachen Mitteln lösen. .In such a nuclear reactor with a uniform bed of shaped bodies, geometrical Establish a greater neutron density in the center of the bed than in the edge zones. you Product with the macroscopic local gap cross-section is proportional to the local power density. For even fuel utilization and to achieve maximum overall performance but the neutron density and thus the power density over all areas of the bed is as possible to shape evenly. This object is intended to be particularly simple with the present invention Solve funds. .

Es sind bereits verschiedene Vorschläge gemacht worden, die Neutronendichte im Kern auszugleichen. Diese bekannten Maßnahmen zielen z. B. auf eine Verminderung der Neutronendichte in der Mitte des Reaktorquerschnittes, z. B. durch Einbringen von Absorberelementen. Eine andere bekannte Möglichkeit besteht darin, am Rande des Kerns frischen Brennstoff einzufüllen, so daß dadurch in den Randzonen des Kerns die Neutronendichte angehoben wird. Die letztgenannte Maßnahme ist die am meisten angewendete. Bei diesen Möglichkeiten ist jedoch die radiale Flußverteilung immer noch näherungsweise eine Besselfunktion nullter Ordnung, wobei durch einen Radialreflektor auch am Rand des Kerns der Fluß noch nicht gleich Null ist.Various proposals have already been made to balance the neutron density in the nucleus. These known measures are aimed at z. B. on a decrease in neutron density in the middle of the Reactor cross-section, e.g. B. by introducing absorber elements. Another known possibility is to fill in fresh fuel at the edge of the core, so that this in the edge zones of the nucleus the neutron density is increased. The latter measure is the am most applied. With these possibilities, however, the radial flow distribution is still approximate a Bessel function of the zeroth order, with a radial reflector also at the edge of the At its core the flow is not yet zero.

Insbesondere für große Reaktoren ist es daher von Interesse, durch eine willkürliche Radialverteilung des Spaltquerschnittes die Leistungsdichte möglichst von der Radialkoordinate unabhängig zu machen. Das bedeutet aber in allen praktisch vorhandenen Fällen, daß der Spaltquerschnitt gegen den Rand hin größer zu machen ist als in Achsennähe.It is therefore of particular interest for large reactors, through an arbitrary radial distribution of the gap cross-section to make the power density as independent as possible of the radial coordinate. However, in all practically existing cases this means that the gap cross-section towards the edge is to be made larger than near the axis.

Verfahren zur Erzielung einer gleichmäßigen
Leistungsdichte bei gasgekühlten
Kugelhaufen-HochtemperaturkernreaktorenMethod of achieving a uniform
Power density for gas-cooled
Pebble bed high temperature nuclear reactors

Anmelder:Applicant:

Brown, Boveri & Cie., Aktiengesellschaft,Brown, Boveri & Cie., Public company,

Mannheim-Käfertal, Boveristr. 22;Mannheim-Käfertal, Boveristr. 22;

Beteiligungs- und Patentverwaltungsgesellschaft mit beschränkter Haftung,Investment and patent management company with limited liability,

Essen, Altendorfer Str. 103Essen, Altendorfer Str. 103

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Dr. rer. nat. Rudolf Schulten, LützelsachsenDr. rer. nat. Rudolf Schulten, Lützelsachsen

Für Reaktoren mit axial gebündelten Brennstoff-Elementen sind solche Maßnahmen durch variable Brennstoffkonzentration von Element zu Element bekannt. Es gibt aber auch Reaktoren, bei denen eine solche einfache Anordnung nicht möglich ist, z. B. in dem nunmehr betrachteten bekannten Hochtemperaturreaktor mit statistisch eingeschütteten kugelförmigen Brennstoff-Elementen.For reactors with axially bundled fuel elements, such measures are variable Fuel concentration known from element to element. But there are also reactors where such a simple arrangement is not possible, e.g. B. in the now considered known high-temperature reactor with randomly poured in spherical fuel elements.

Die Erfindung löst die vorstehend geschilderte Aufgabe auf besonders einfache und vorteilhafte Weise dadurch, daß erfindungsgemäß die durch den Ablaßkanal entnommenen Elemente gezählt, aus der ermittelten Zahl die Größe des an der Spitze der Aufschüttung entstandenen Trichters bestimmt und abhängig von dieser Größe nach Maßgabe eines vorberechneten Programms, entsprechend der vorgegebenen Verteilung, entweder Brennstoff- oder Brutstoff- oder Blind-Elemente eingeführt werden.The invention solves the problem outlined above in a particularly simple and advantageous manner Way in that, according to the invention, the elements removed through the drainage channel are counted from the determined number determines the size of the funnel formed at the top of the embankment and depending on this size according to a precalculated program, according to the specified Distribution, either fuel or breeding material or dummy elements are introduced.

Für Brennstoff-Elemente ist der Spaltquerschnitt groß und fällt langsam während des Abbrandes ab. Der Spaltquerschnitt der Brutstoff-Elemente ist anfangs null und wächst dann langsam nach Maßgabe des Bruteffektes. Für die Blind-Elemente ist der Spaltquerschnitt null. Das Mischungsverhältnis der drei Elementsorten ist von Fall zu Fall verschieden.For fuel elements, the gap cross-section is large and slowly drops during the burn-up. The gap cross-section of the breeding material elements is initially zero and then slowly grows as required of the breeding effect. The gap cross-section is zero for the dummy elements. The mixing ratio of the three types of element differ from case to case.

Durch die zentrale Einschüttung von oben bilden die Kugeln oberhalb des Kerns einen Schüttkegel mit leicht ermittelbarem Böschungswinkel. Die auf den voll ausgebildeten Böschungskegel neu anfallenden Kugeln rollen bevorzugt über die Mantelfläche dieses Kegels ab in die Randzone des zylindrischen Kerns.Due to the central filling from above, the balls form a cone of material above the core easily determinable angle of repose. The newly arising on the fully developed slope cone Balls preferably roll over the outer surface of this cone into the edge zone of the cylindrical core.

509 539/280509 539/280

Zweckmäßigerweise werden daher die mit hohem Spaltquerschnitt behafteten Brennstoff-Elemente nach Maßgabe eines Beschickungsplanes in Zeiten zu gegeben, in denen der Böschungskegel gut aus gebildet ist, d. h. der Böschungswinkel der Auf- schüttung durch Einführung von Blind-Elementen und/oder Brutstoff-Elementen seine maximale oder nahezu maximale Größe hat. The fuel elements with a high gap cross-section are expediently added in accordance with a loading plan at times when the slope cone is well formed, ie the slope angle of the embankment is at its maximum due to the introduction of blind elements and / or breeding material elements or near the maximum size.

Durch einen in der Achse des zylindrischen Kerns liegenden unteren Ablaßkanal, zu dem sich der Kernboden konisch verjüngt, ist es andererseits möglich, die achsennahen Kugeln bevorzugt abzu lassen. Hierdurch fällt (solange nicht neue Form körper von oben nachgeschüttet werden) während des Ablassens zunächst der obere Böschungskegel zusammen; es bildet sich eine nahezu ebene Oberfläche aus. Ist diese nahezu ebene Gestalt der Ober fläche erreicht, so sollen nach Maßgabe des Be schickungsplanes Formkörper mit geringem Spalt querschnitt, also Blind-Elemente oder Brutstoff- so Elemente oder eine Mischung, zugegeben werden. Solange keine Formkörper abgelassen werden, haben diese Elemente erst wieder den Böschungskegel auf zubauen und werden daher vornehmlich in Achs nähe zur Ruhe kommen. Auf diese Weise gelingt es, wie erwünscht, den Spaltquerschnitt am Rande höher zu machen als in Achsnähe. Beim Durchlauf der Formkörper durch den Kern im Verlaufe des Ab- brandes werden sich diese auf Grund der »Strö mungscharakteristik« in Zonen anhäufen, die die Gestalt von Linsen haben und sich beim Durchlauf nach unten verjüngen. By a lying in the axis of the cylindrical core lower drain passage, to which the core bottom tapered, it is possible on the other hand, the near-axis balls preferably have ERS. As a result, the upper cone of the slope initially collapses (as long as new moldings are not poured in from above ) during lowering; an almost flat surface is formed. Once this almost flat shape of the upper surface has been achieved, shaped bodies with a small gap cross-section, i.e. blind elements or elements or a mixture, should be added in accordance with the loading plan. As long as no moldings are drained, these elements only have to build up the slope cone again and will therefore come to rest primarily in the vicinity of the axis. In this way it is possible, as desired, to make the gap cross-section higher at the edge than near the axis. When the shaped bodies pass through the core in the course of the burn-off, due to the “flow characteristics” they will accumulate in zones that have the shape of lenses and taper downwards as they pass through.

Geschieht der Durchlauf viel schneller als es dem Abbrand entspricht, d. h. ist der Abbrand pro Durch lauf im Mittel nur klein, so kann durch Wieder- einschütten des größten Teils der abgezogenen Ku geln (und geringer Beimengung frischer Kugeln zum Ersatz des Abbrandes) sowohl eine statistische Ver teilung von Kugeln aller Sorten und Abbrandgrade durch den Kern sowie durch die Maßnahme gemäß der Erfindung auch eine gezielte Verteilung des makroskopischen Spaltquerschnittes erreicht werden. Grundsätzlich kann zur optimalen Brennstoffvertei lung die Entnahme und die Zuführung der Formkör per periodisch in der erforderlichen Reihenfolge durchgeführt werden. If the run happens much faster than it corresponds to the burn-up, ie if the burn-up per run is only small on average, then by pouring back the majority of the withdrawn balls (and adding a small amount of fresh balls to replace the burn-up), both a statistical Ver distribution of balls of all types and degrees of burn through the core and also a targeted distribution of the macroscopic gap cross-section can be achieved by the measure according to the invention. In principle, the removal and supply of the molded bodies can be carried out periodically in the required sequence for optimal fuel distribution.

Im Prinzip läßt sich der Aufbau des Schüttkegels auf verschiedene Weise bestimmen, so z. B. elektro- induktiv, durch mehrere Füllstandsanzeiger, durch Messung der Neutronenverteilung u. dgl. m. Am ein- fachsten ist aber davon auszugehen, daß von einer gewissen eingeschütteten Menge an der Schüttkegel stets den maximalen Böschungswinkel hat und dieser Böschungswinkel bei weiterer Zuschüttung von Formkörpern konstant bleibt. Bei einer Schüttung aus gleich großen Kugeln beträgt dieser maximale Böschungswinkel beispielsweise etwa 22°. Die Min destzahl von Kugeln bzw. sonstigen Formkörpern zum Erreichen des Böschungswinkels und die erziel baren Zwischenstadien lassen sich zur Aufstellung eines Beschickungsprogramms (für eine Erstbeschik- kung sowie für Nachbeschickungen) ersichtlich leicht in einem Modellversuch ermitteln. Den Ausgangs punkt für Berechnungen für Nachbeschickungen bildet dann eine Schüttung mit konstantem Bö- schungswinkel. Wird bei einer solchen Schüttung dann von unten z. B. eine vorgegebene Zahl von Kugeln abgelassen, so sinkt der Böschungskegel entsprechend in sich zusammen und kann mit einer gleichen Zahl von Kugeln, die z. B. Brutstoff oder nur reinen Moderatorstoff enthalten, wieder aufgebaut werden, wobei sich diese Kugeln vorwiegend in Achsnähe des zylindrischen Kerns anordnen. Weitere nachgefüllte Kugeln, die z. B. Brennstoff enthalten, verteilen sich dann gleichmäßig über den Reaktorquerschnitt, insgesamt gesehen ergibt sich dann in den Randzonen eine Anreicherung der Brennstoffkugeln. In principle, the structure of the pouring cone can be determined in various ways, e.g. B. electro-inductively, by means of several level indicators, by measuring the neutron distribution, etc. The simplest way is to assume that a certain poured amount of the pouring cone always has the maximum angle of repose and this angle of repose with further filling of Molded bodies remains constant. In the case of a bed of balls of the same size, this maximum angle of repose is, for example, about 22 °. The minimum number of spheres or other shaped bodies to achieve the angle of slope and the achievable intermediate stages can easily be determined in a model test for setting up a loading program (for an initial loading as well as for subsequent loading). The starting point for calculations for replenishment is then a bed with a constant angle of slope. If such a bed then z. B. drained a predetermined number of balls, the slope cone decreases accordingly in itself and can with an equal number of balls that z. B. Brutstoff or only contain pure moderator substance, are rebuilt, these balls are arranged predominantly near the axis of the cylindrical core. More refilled balls, e.g. B. contain fuel, are then distributed evenly over the reactor cross-section, viewed overall, there is then an enrichment of the fuel balls in the edge zones.

Soll eine Nachbeschickung des Kerns, in dem zunächst die Schüttung den konstanten Böschungswinkel aufweist, erfolgen, so ist vorerst eine bestimmte Anzahl von Formkörpern nach unten abzulassen. Die abgelassene Menge ist zu bestimmen; dies kann durch Zählen, Wägen usw. erfolgen. Besonders einfach ist hierbei eine Zählvorrichtung vorzusehen, die in den Ablaßkanal einzubauen ist, da solche einfach aufgebaute und leistungsfähige Zähleinrichtungen an sich bekannt sind und sich anderenorts bewährt haben.Should a refilling of the core, in which first the pouring the constant angle of repose has, take place, a certain number of shaped bodies must first be drained downwards. The amount drained must be determined; this can be done by counting, weighing, etc. Particularly it is easy to provide a counting device that is to be installed in the drainage channel, because such simply constructed and powerful counting devices are known and are known have proven themselves elsewhere.

Das Zählergebnis bestimmt das nachfolgende Beschickungsprogramm, das sowohl von Hand an Hand einer in der genannten Weise ermittelten Beschikkungstabelle als auch durch ein mechanisches Steuergerät durchgeführt werden kann, wobei dieses Steuergerät entweder selbst wieder von Hand eingestellt oder durch die Zählvorrichtung automatisch gesteuert wird. Als mechanisches Steuergerät, das die Zuführung der Brennstoff-, Brutstoff- und Blind-Elemente aus entsprechenden Vorratsbehältern in den Reaktorkern auslöst, ist dann ein mit dem aus der Beschickungstabelle ersichtlichen Programm versehener Programmspeicher vorzusehen, wie er in ähnlicher Weise z. B. bei Rechenmaschinen usw. bekannt ist. Der Begriff Programmspeicher ist hierbei im weitesten Sinne aufzufassen; es kann sich hier sowohl um ein aus einer sehr geringen Anzahl von Elementen bestehendes mechanisches Gerät (Kurvenkörper, Rechenschieberkonstruktion, Zahnradgetriebe usw.) als auch um einen elektronischen Speicher oder ein sonstiges, an sich bekanntes Gerät handeln.The counting result determines the subsequent loading program, which can be carried out both by hand using a loading table determined in the above-mentioned manner and by a mechanical control device, this control device either being set again by hand or automatically controlled by the counting device. As a mechanical control device that triggers the supply of fuel, raw material and dummy elements from the corresponding storage containers in the reactor core, a program memory provided with the program shown in the feed table is to be provided, as it is in a similar manner z. B. in calculating machines, etc. is known. The term program memory is to be understood in the broadest sense; It can be a mechanical device consisting of a very small number of elements (cam, slide rule construction, gear transmission, etc.) as well as an electronic memory or some other known device.

Claims

Patent claims:

1. Method for achieving a uniform power density that is independent of the radial coordinate of a pebble-bed high-temperature reactor with lying in the axis of the cylindrical core Inlet and outlet channels for charging the core with fuel, brood material and dummy elements by setting a predetermined statistical distribution of these elements within the free embankment of the pebble, characterized in that the elements removed through the drainage channel are counted, the size from the number determined of the funnel formed at the top of the embankment is determined and dependent on this Size according to a pre-calculated program, according to the given distribution, either fuel or breeding material or dummy elements are introduced.

2. The method according to claim 1, characterized in that the fuel elements, for example after the removal of burnt-out elements, are only introduced when the Angle of slope of the embankment through the introduction of blind elements and / or breeding material

Elements has its maximum or near-maximum size.

3. Arrangement for performing the method according to one of claims 1 and 2, characterized by one provided with one or more predetermined loading programs, the supply of fuel, raw material and dummy elements from appropriate Storage containers and / or the draining of the moldings from the core controlling program memory.

Considered publications: German Auslegeschriften No. 1025 535,

1032432, 1033 810, 1034784, 1041609,

1053 682, 1095 959;
Nukleonik, Vol. 1, Issue 8, October 1959, p. 277

to 286.