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Vorrichtung und Verfahren zur Regelung oder Abschaltung eines Kernreaktors
mit einer Schüttung kugelförmiger Betriebselemente Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur Regelung oder Abschaltung eines Kernreaktors mit einer Schüttung
kugelförmiger Betriebselemente, in deren Bereich stabförmige Regel- oder Abschaltelemente
ein- und ausgefahren werden sowie ein Verfahren zum Betrieb dieser Vorrichtung.
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Aus der Zeitschrift »Die Atomwirtschaft«, September 1959, S. 377 bis
384, ist bereits ein gasgekühlter Schüttgut-Kernreaktor mit negativem Temperaturkoeffizienten
bekannt, bei dem die zur Abschaltung des Reaktors erforderliche Reaktivitätsverminderung
mit Hilfe von stabförmigen Abschaltelementen vorgenommen wird, die innerhalb von
besonderen, im Reaktor angeordneten Einbauten geführt sind, z. B. in Nasen oder
Führungsrohren. Die Leistung eines solchen Kernreaktors wird unter Ausnutzung des
negativen Temperaturkoeffizienten durch Änderung der Gebläsedrehzahl für den Kühlgaskreislauf
geregelt.
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Eine solche Art der Leistungsregelung ist jedoch nicht für alle Kernreaktoren
dieser Bauart ausreichend, da sich die zu den einzelnen Leistungsniveaus gehörenden
Reaktortemperaturen zu stark unterscheiden würden. Diese Temperaturunterschiede
können jedoch dadurch vermieden werden, daß in den Reaktor geeignete Regelelemente
eingebaut werden, die es gestatten, die Reaktivität des Reaktors reproduzierbar
und in hinreichend kleinen Schritten zu ändern. Die gesamte Reaktivitätsänderung
bewegt sich dabei in einem Bereich von nur wenigen Prozenten.
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Die für den Betrieb des bekannten Kernreaktors erforderlichen stabförmigen
Regel- und Abschaltelemente können auch in einer kombinierten Einrichtung zusammengefaßt
werden, die sowohl zur Regelung als auch zur Abschaltung des Kernreaktors dient.
Um mit Hilfe der bekannten Einrichtung die erforderlichen hohen negativen Reaktivitätseinflüsse
zum Abschalten des Kernreaktors zu erreichen, müssen die stabförmigen Abschaltelemente
in der Achsnähe des Reaktors eingebracht sein, wobei zu ihrer Führung besondere
Einbauten, z. B. Rohre, Nasen oder Ringmauern aus Graphit, in der Spaltzone verwendet
werden. Die bekannte Einrichtung weist jedoch sehr erhebliche Nachteile auf, da
die genannten Einbauten hohen mechanischen, thermischen und Strahlungsbelastungen
ausgesetzt und daher sehr störanfällig sind.
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Die derartigen Beanspruchungen standhaltenden Materialien sind sehr
teuer und schwierig zu bearbeiten.
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Wird ferner noch berücksichtigt, daß ein echtes Abschalten des Kernreaktors,
d. h. ein Unterkritischfahren bei niedriger Temperatur, nur selten erfolgt, so fällt
der bei der Konstruktion der Spaltzonen-Einbauten zu betreibende Aufwand besonders
schwer ins Gewicht. Andererseits muß jedoch für die bei einem Störfall zu erfolgende
Notabschaltung des Kernreaktors ständig eine genügend große Abschaltreaktivität
zur Verfügung stehen, um die Reaktivität des Reaktors so schnell wie nötig zu senken.
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Aus der USA.-Patentschrift 2 812 303 ist ein weiterer Typ eines Schüttgut-Kernreaktors
bekannt, der wahlweise mit einem Gas oder mit einer Flüssigkeit gekühlt werden kann.
Die Regelung des Reaktors erfolgt mittels eines Absorberstabes, der sich in der
Spaltzone innerhalb einer Führung aus Graphit oder Beryllium bewegt. Für diese Führung
gelten die gleichen Nachteile, wie sie weiter oben für den ausschließlich gasgekühlten
Kernreaktor geltend gemacht wurden; d. h. sie muß hohen mechanischen, thermischen
und Strahlungsbelastungen standhalten. überdies bringt jeder durch die Spaltzone
führende Kanal, wenn er Gebiete hohen Neutronenflusses berührt, beträchtliche Neutronenverluste
mit sich.
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Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung
und ein Verfahren anzugeben, mit denen es möglich ist, die Reaktivität eines Schüttgut-Kernreaktors
zum Zwecke der Regelung oder der Abschaltung zu beeinflussen, ohne daß dazu in der
Spaltzone Einbauten für die stabförmigen Abschalt- oder Regelelemente erforderlich
sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die stabförmigen
Elemente an ihrem in die Schüttung eindringende Ende konisch zugespitzt sind und
unter Verdrängung der Betriebselemente unmittelbar durch die Schüttung hindurchbewegt
werden.
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Durch diese Vorrichtung wird auf eine sehr einfache Weise das Problem
gelöst, die Beeinflussung
der Reaktivität eines Schüttgut-Kernreaktors
vornehmen zu können, ohne daß dabei besondere Konstruktions- oder Materialprobleme
auftreten. Das Vorteilhafte der Vorrichtung ist einmal darin zu erblicken, daß keine
Einbauten der Spaltzone erforderlich sind, und zum anderen darin, daß sie eine gute
Neutronenökonomie besitzt. Diese ist vor allem dann von. großer Wichtigkeit, wenn
das an die Vorrichtung gebundene Verfahren- zur Beeinflussung der Reaktivität von
Konverter- :oder Brutreaktoren angewendet werden soll. Durch das Wegfallen der Spaltzonen-Einbauten,
wie Führungsrohren od. dgl., treten in der Spaltzone keine vom Schüttgut freien
Kanäle mehr auf und die mit einem solchen durch die Spaltzone führenden Kanal verbundenen
Neutronenverluste entfallen ebenfalls.
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Die sich beim unmittelbaren Einfahren der stabförmigen Elemente in
die Spaltzone dort bildenden Kanäle verschließen sich von selbst wieder, sobald
die Elemente aus der Spaltzone entfernt worden sind.
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Das mit der oben beschriebenen Vorrichtung verbundene Verfahren gestattet
es überdies, außer Steuerelementen, die der Leistungsregelung und Abschaltung des
Kernreaktors dienen und daher neutronenabsorbierende Stoffe enthalten, alle möglichen
Arten von Testelementen, Bestrahlungsproben od. dgl. in die Spaltzone eines Schüttgut-Kernreaktors
enizuführen, ohne daß Rohre oder Kanäle in der Spaltzone vorgesehen sind und den
Neutronen-Haushalt beeinträchtigen. Derartige Proben werden in stabförmige Elemente
eingebracht und direkt in das Schüttgut eingefahren, und zwar an jeder gewünschten
Stelle der Spaltzone. Die Reaktivität des Kernreaktors wird nur so lange beeinflußt,
wie sich die Proben in der Spaltzone befinden; da sich, wie bereits beschrieben,
die beim Einfahren der als Träger fungierenden stabförmigen Elemente in der Spaltzone
entstehenden Lücken oder Kanäle nach dem Abziehen der stabförmigen Elemente sofort
von selbst wieder schließen.
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Nach dem mit der oben beschriebenen Vorrichtung verbundenen Verfahren
erfolgt die Notabschaltung des Kernreaktors stufenweise, wobei zunächst in einer
ersten Stufe die stabförmigen Abschaltelemente außerhalb der Spaltzone angeordnet
sind und unter dem Einfluß der Schwerkraft durch einen Reflektor hindurch bis zu
einer vorgegebenen Tiefe in das Schüttgut eingebracht werden und eine »prompte«
Verminderung der Reaktivität hervorrufen und sodann in einer nächsten Stufe durch
Anwendung äußerer Kräfte zur überwindung des Eindringwiderstandes der Schüttung
ein weiteres Einführen der Abschaltelemente in das Schüttgut bis in ihre Endlage
erfolgt, wobei eine zusätzliche, »langsame« Reaktivitätsabschwächung eintritt.
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Das Verfahren geht von der Erkenntnis aus, daß es auch bei einer Notabschaltung
in einem nuklearen Störfall ausreicht, den letzten Teil der notwendig werdenden
Reaktivitätsänderung durch ein »langsames« Absenken der Reaktivität vorzunehmen.
Das Abschaltverfahren ist daher mehrstufig aufgebaut, wobei in der ersten Stufe
eine »prompte« Reaktivitätsminderung erfolgt, die eine nach dem Störfall eventuell
auftretende Reaktivitätszunahme, wie sie z. B. bei Vorhandensein eines mit Wasser
gespeisten Sekundärkreises von einem Wassereinbruch herrühren kann, neutralisiert.
Eine solche »prompte« Reaktivitätsminderung wird durch das schnelle Einfahren der
stabförmigen Abschaltelemente in das Schüttgut erreicht, wobei die Abschaltelemente
unter Einfluß des Schwerkraft bis zu einer zuvor festgelegten Tiefe ir die Spaltzone
eindringen. Danach erfolgt eine Rangsame« Reaktivitätsänderung durch das weitere
Einbringen der Abschaltelemente in das Schüttgut, wobei ein äußerer Zwangsantrieb
angewendet wird. Des Grad der Verzögerung, mit dem die Reaktivitätsänderung vor
sich geht, ist frei wählbar durch die Geschwindigkeit, mit der die Abschaltelemente
in das Schüttgut eingeführt werden können.
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Bei einer betriebsmäßigen Abschaltung des Kernreaktors wird die für
einen solchen Fall erforderliche Reaktivitätsniedrigung ebenfalls mit Hilfe der
stabförmigen Abschaltelemente vorgenommen, die langsam und ohne irgendeine Behinderung
bis zu eines vorgegebenen Tiefe in das Schüttgut eingebracht werden. Besondere Einbauten
zur Führung der Abschaltelemente brauchen auch in diesem Fall in der Spaltzone nicht
vorhanden zu sein.
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Die Geschwindigkeit der herabfallenden Abschaltelemente ist so bemessen,
daß bei ihrem Eindringen in das Schüttgut die kugelförmigen Betriebselemente nicht
beschädigt werden. Die besondere Formgebung der in die Schüttung eintretenden Enden
der Abschaltelemente trägt ebenfalls dazu bei, daß Schäden an den Betriebselementen
vermieden werden.
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Ein weiteres Einfahren der stabförmigen Abschaltelemente in das Schüttgut
kann vorteilhaft dadurch bewirkt werden, daß die Abschaltelemente von einer bestimmten
Eindringtiefe ab durch Entnahme und Zugabe von kugelförmigen Betriebselemente allein
oder zusätzlich zu anderen Antriebsarten in Bewegung versetzt werden.
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Besitzt der Kernreaktor einen Deckenreflektor, so sind die Abschaltelemente
vorteilhaft oberhalb dieses Deckenreflektors untergebracht. Um die Abschaltelemente
in die Spaltzone einbringen zu können, weist der Deckenreflektor entsprechende Kanäle
auf, in oder über denen die stabförmigen Elemente angeordnet sind. Damit bei kleinen
Abweichungen der stabförmigen Elemente von der vertikalen Stellung keine Drehmomente
auftreten können, die zusätzliche Reibungskräfte hervorrufen würden, sind die Elemente
in einer geeigneten Vorrichtung aufgehängt.
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Die neutronenabsorbierenden Stoffe sind vorteilhaft im Innern der
stabförmigen Elemente untergebracht, und das Äußere der Elemente besteht aus einem
Metallmantel.
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Zweckmäßig sind die stabförmigen Abschaltelemente auf ihrer Oberfläche
mit Kühlrippen ausgerüstet, um die beim Eindringen der Elemente in das Schüttgut
im Element entstehende Wärme besser abführen zu können. Die Kühlrippen sollen dabei
den bei der Durchleitung von Kühlmittel durch das Schüttgut zwangsweise auftretenden
Kühleffekt verstärken. Einerseits wird nämlich durch Vergrößerung der Staboberfläche
der Wärmeübergang zwischen Abschaltelement und Kühlmittel verbessert, während sich
andererseits durch das Anbringen von Rippen der Wärmeaustausch zwischen einem Abschaltelement
und den ihm benachbarten Betriebselementen wegen ihrer kleineren Berührungsfläche
vermindert. Daß ein zwangsläufiger Kühleffekt an den Abschaltelementen auftritt,
wenn ein Kühlmittel von oben nach unten durch das Schüttgut strömt, konnte experimentell
nachgewiesen werden. Er beruht auf dem Umstand, daß die Kühlung in der Nähe einer
glatten Wand merklich zunimmt, da sich dort die Schüttdichte beträchtlich
verringert.
Hierzu kommt noch, daß die Leistung der dem Abschaltelement unmittelbar benachbarten
Betriebselemente infolge der Flußabsenkung in der Umgebung des Abschaltstabes voraussichtlich
kleiner sein wird als die mittlere Leistung der Betriebselemente.
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Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit, stabförmige Abschaltelemente
zu kühlen, besteht darin, die Abschaltelemente mit einem sich über ihre gesamte
Länge hin erstreckenden Hohlraum auszustatten und sie an ihrem in das Schüttgut
eindringenden Ende sowie an einer Stelle ihrer Oberfläche, die auch bei einem bis
in maximale Tiefe eingefahrenen Abschaltelement noch oberhalb der Schüttgutoberfläche
liegt, mit einer oder mehreren Wanddurchbrechungen zu versehen.
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Hierbei wird der Druckabfall des Kühlmittels zwischen den oberen und
unteren Wanddurchbrechungen des eingefahrenen Abschaltelements ausgenutzt, um einen
Teil des Kühlmittels durch das Innere des Elementes strömen zu lassen. Voraussetzung
ist dabei allerdings, daß bei höherer Temperatur in der Spaltzone wenigstens ein
Teil der Gebläse für den Kühlmittelumlauf in Betrieb ist.
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Der besondere Vorteil dieser Kühlmethode besteht darin, daß sich die
Menge des durch das Abschaltelement strömenden Kühlmittels nach der Größe des zwischen
den oberen und unteren Wanddurchbrechungen des Abschaltelementes herrschenden Kühlmittel-Druckabfalls
richtet. Solange sich das Abschaltelement außerhalb des Schüttgutes befindet, wird
es kaum von Kühlmittel durchströmt, während bei einem bis in seine Endlage eingefahrenen
Element die maximale Kühlwirkung erzielt wird.
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Zweckmäßig weisen die in den Enden der Abschaltelemente befindlichen
Wanddurchbrechungen eine solche Form auf, daß sie nicht von den Betriebselementen
abgedeckt werden können. Sie können z. B. einen in mehrere Nuten auslaufenden Querschnitt
besitzen.