DE2451749A1 - Gasgekuehlter kernreaktor - Google Patents

Description

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HOCHTEMPERATUR-REAKTORBAU GmbH

5 Köln 1 Zeppelinstraße 15

Gasgekühlter Kernreaktor

Die Erfindung betrifft einen Kernreaktor, insbesondere einen gasgekühlten, graphitmoderierten Kernreaktor mit einem Core aus einer Schüttung kugelförmiger Brennelemente, einem das Core umgebenden aus Decke, zylindrischer Seitenwand und Boden gebildeten Reflektor und mit in das Core einfahrbaren

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Absorberstaben zur Steuerung und Regelung des Reaktors.

Es ist bekannt, zur Steuerung und Regelung von Reaktoren Absorberstäbe zu benutzen, die in das Core eingefahren werden. Je nach Eintauchtiefe vergrößern oder verkleinern die Absorberstäbe den ,Neutronenfluß und damit die vom Core abgegebene Leistung. ¥eiterhin ist bekannt, daß die in einfachen Cores vorhandene Neutronenflußverteilung in radialer Richtung einer Bessel-Funktion und in axialer Richtung einer Cοsinus-Funktion folgt.

Im allgemeinen wird eine ,flache Leistungsverteilung angestrebt, wobei sich diese aus dem Neutronenflußprofil und der örtlich verschiedenen Spaltstoffdichte ergibt. In Leistungsreaktoren werden verschiedene Mittel eingesetzt, um in radialer Richtung eine möglichst gleichmäßige Leistungsverteilung zu erreichen. Hierdurch wird es möglich,, aus einem gegebenen Corevolumen ein Maximum von Leistung unter Einhaltung gewisser maximaler Temperaturen in den Brennelementen herauszuholen. Eine der Maßnahmen zur Abflachung der Leistungsverteilung, ist eine Aufteilung des Reaktorcores in ein Innen- und Außencore, wobei das erstere eine geringere Spaltstoffdichte als das zweite aufweist. Auch die Absorberstäbe .werden zur Glättung der globalen Leistungsdichteverteilung herangezogen. Im allgemeinen sind die Absorberstäbe in Leistungsreaktoren gleichmäßig in einem vorgegebenen Raster über den Corequerschnitt verteilt, so daß je nach Bedarf mehr innere oder äußere Stäbe eingefahren werden können. Yeiter wird angestrebt, die Corestäbe bis nahe an den Bodenreflektor heranfahren zu können. Dabei wurde die Auffassung vertreten, daß eine, günstige Neutronenflußverteilung nur bei voll eingefahrenen Regelstäben erzielbar ist.

Weiterhin wurde bekannt, (DAS 1 0^9 986) daß eine besonders wirksame AbfLachung des Flusses und Vergleichmäßigung der

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Leistungsdichte erreicht werden kann, wenn die Regelstäbe mit ihrer eingefahrenen Absorberlänge dem Verlauf des thermischen Neutronenflusses annähernd angepaßt sind. Bei dieser "Anordnung wird eine besonders weitgehende Einebnung der Neutronenflußverteilung erreicht.

Die obigen Ausführungen sind gültig für das Verhalten des Reaktors bei üblichen Steuer- und Regelvorgängen. Berechnungen haben jedoch ergeben, daß bei voll in das Core eines gasgekühlten, graphitmoderierten Reaktors eingefahrenen Absorberstäben eine starke Konzentration des thermischen Neutronenflusses im Außencore und im Seitenreflektor eintritt. Die radiale Flußverteilung erweist sich damit als äußerst ungünstig.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei Reaktoren der eingangs genannten Gattung, den Reaktor so auszubilden, daß auch bei voll eingefahrenen Absorberstäben bei abgeschaltetem Reaktor die starke Konzentrierung des Neutronenflusses im Außencore und im Reflektor vermieden wird, und darüber hinaus eine flache Verteilung des Neutronenflusses über den Reaktorquerschnitt eintritt. Die Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Belegungsdichte der Corequerschnittsfläche mit Absorberstäben von der Coremitte zum Corerand zunimmt. Mit Belegungsdichte wird die Anzahl der Absorberstäbe pro Coreflächeneinheit bezeichnet. Je mehr Ab-

2 sorberstäbe auf beispielsweise einem m Corequerschnittsfläche angebracht werden, um so höher ist die Belegungsdichte. Um die beabsichtigte Abflachung des radialen Neutronenflußprofils auch im voll abgeschalteten Zustand zu erreichen, wird somit vorgeschlagen, im Außencore und nahe dem Seitenreflektor die Absorberstäbanzahl zu erhöhen, entsprechend aber die Anzahl der Stäbe in der- inneren Corezone zu vermindern. Es ist verständlich, daß diese Belegungsdichte aus verschiedenen Gründen nicht beliebig gewählt werden kann. Bei heute üblichen Reaktoren der genannten Gattung, sind mittlere Belegungsdichten von etwa 2 Stäben pro

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Quadratmeter üblich, wobei die wirksamen Stabdurchmesser bei 8-10 cm liegen. Der Abstand zwischen den einzelnen Corestäben ergibt sich aus den betrieblichen Erfordernissen, der Reaktivitätsbilanz des Reaktorcores und auch aus konstruktiven Gesichtspunkten. Die bisher gewählten Raster für die Verteilung der Absorberstäbe sind so ausgerichtet gewesen, daß die Abstände zwischen den Absorberstäben gleich groß waren. Um die gemäß der Erfindung angestrebte Verteilung der Absorberstäbe zu erreichen, kann zunächst eine mittlere Belegungsdichte ermittelt werden, die etwa auf der Hälfte des Coreradius angeordnet wird. Hiervon ausgehend wird die Belegungsdichte zur Coremitte hin und zum Corerand hin verändert und zwar so, daß in erster Richtung die Belegungsdichte abnimmt und in zweiter Richtung die Belegungsdichte zunimmt. Eine solche Anordnung der Absorberstäbe ergibt, daß auch bei abgeschaltetem Reaktor, wenn alle Stäbe eingefahren sind, im Reflektorbereich eine übermäßige Überhöhung des Neutronenflussen vermieden wird, und der radiale Neutronenfluß einen, relativ flachen Verlauf hat.

Die Vergrößerung der Belegungsdichte von der Coremitte ausgehend, kann dadurch erreicht werden, daß das Gitterraster ständig verringert wird. Je größer der Abstand von der Coremitte, um so größer die Anzahl der pro Corequerschnittsflache angeordneten Absorberstäbe. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die Vergrößerung der Belegungsdichte durch eine Verringerung des Abstandes zwischen den auf den jeweils äußeren Absorberstabkränzen angeordneten Stäben vorgenommen wird, indem auf den äußeren Stabkränzen zusätzliche Stäbe eingesetzt werden, oder auch indem Stäbe aus inneren Stabkränzen auf äußere Stabkränze versetzt werden. Gleichzeitig mit diesen Maßnahmen oder auch gesondert davon kann die Belegungsdichte durch eine Verringerung des Abstandes zwischen den Absorberstabkränzen erreicht werden.

Um die Erhöhung des Neutronenflusses im Reflektorbereich weit-

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gehendst abzubauen, ist es erforderlich, daß die Absorberstäbe, so weit dies aus konstruktiven,festigkeitsmäßigen und anderen Gründen zulässig ist, an die Seitenreflektorwand herangeführt werden. Bei Reaktoren mit blockförmigen Brennelementen, ist dieses ohne Schwierigkeiten durchführbar. Bei diesen Reaktoren ist es möglich, daß die Absorberstäbe unmittelbar an die Seitenwand des Reflektors gelegt werden. Bei Reaktoren mit einer Schüttung aus kugelförmigen Brennelementen ist dagegen die Einhaltung eines Mindestabstandes zwischen den eingefahrenen Absorberstäben und der Reflektorwand erforderlich. Dieser Abstand beträgt ca. kO bis 60 cm.

Ein besonders günstiger Einfluß der Absorberstäbe wird bei einem Reaktor mit kugelförmigen Brennelementen dann erreicht, wenn das Core aus mehreren radial konzentrischen Zonen besteht. Die einzelnen Zonen werden dabei mit Brennelementen mit unterschiedlichem Spaltstoffgehalt beschickt. Dabei ist unter Umständen der Spaltstoffgehalt der Brennelemente der äußersten Zone niedriger als der Spaltstoffgehalt der Brennelemente der inneren Zonen. Gegebenenfalls werden auch Betriebselemente für die äußerste Zone eingesetzt, die lediglich reflektierende Eingeschärften haben. Bei einem solchen Reaktor werden die äußersten Absorberstäbe im Grenzbereich zwischen der äußersten Zone und der benachbarten inneren Zone angeordnet. Bei dieser Anordnung können die Stäbe direkt auf die überhöhte Neutronenflußausbildung bei abgeschaltetem Reaktor herangeführt werden.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine übliche Anordnung der Corestäbe bei einem gasgekühlten Reaktor,

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Fig. 2 eine Anordnung der Corestäbe nach der Erfindung _f

Fig. 3 eine andere Anordnung der Corestäbe,

Fig* 4 die radialen Feutronenflußprofile bei abgeschalteten Reaktoren nach den Fig. 1 und 3,

Fig. 5 den Verlauf günstiger Verteilungen der relativen Stabdichten in Abhängigkeit vom relativen Coreradius«

Die Fig. 1 zeigt eine übliche Anordnung von Absorberstäben 1 über dem Corequerschnitt2. Gewählt ist ein gasgekühlter, graphitmoderierter Eugelhaufenreaktor üblicher bekannter Bauart. Das Core h ist von einem noch näher gezeigten Seitenreflektor umgeben* dessen initere Begrenzung durch den Kreis 5 dargestellt ist. Im Betriebszustand sind die Stäbe 1 im wesentlichen ausgefahren, lediglich einige Stäbe 1 sind eingefahren und dienen zur Kompensation der betrieblich nötigen Überschußreaktivität und zur Abflachung der radialen Leistungsverteilung. Eventuell sind auch alle Stäbe T ausgefahren, wenn das Core eine radiale Zonung hat. Dann wird die Abflachung der Leistungsverteilung allein durch die radiale Zonung des Brutstoffes bewirkt. Wird der Reaktor nun voll abgeschaltet, d.h. sämtliche Absorberstäbe 1 sind eingefahren, stellt sich der in Fig. h, Kurve a, gezeigte Neutronenflußverlauf ein, falls die Stäbe 1 ein gleichmäßiges Muster wie in Fig. 1 gezeigt bilden. Dieser ungünstige radiale Flußverlauf zeigt, daß das Core im Zentrum besser abgeschaltet wird als im Außencore.

Verteilt man nun die Absorberstäbe 1 gemäß der Erfindung um, dann kann erreicht werden, daß der Neutronenfluß in voll abgeschaltetem Zustand radial abgeflacht wird, entsprechend der

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Kurve b in Fig. 4. Dadurch wird eine Steigerung der totalen AbschaItwirkung des Absorberstabsystems erreicht.

Gleichzeitig kann die Wirksamkeit des maximalen Absorberstabes abnehmen, was äußerst wünschenswert ist. Als maximaler Absorberstab 3 wird der Stab bezeichnet, der, wenn er als erster Stab aus dem Core ausgefahren wird, die größte Wirksamkeit aufweist, d.h. bei seinem Ausfahren eine größte Steigerung des Multiplikationsfaktors des Reaktorcores bewirkt. Dies ist von besonderer Bedeutung für die Berechnung der Abschaltsicherheit des Reaktors, die unter Zugrundelegung der totalen AbschaItwirkung des Absorberstabsystems abzüglich der Wirksamkeit des maximal wirksamen Absorberstabes 3 erfolgt. Dadurch kann die für die Berechnung der Abschaltsicherheit benutzte Abschaltwirkung nochmals erhöht: werden.

Die Steigerung der Abschaltwirkung führt zu einer Erhöhung der Sicherheit des Reaktors. Wird keine erhöhte Sicherheit verlangt, kann die Erfindung auch dazu benutzt werden, bei gleichbleibender AbschaItwirkung die Anzahl der Absorberstäbe 1 im Core zu vermindern. Dies ist möglich durch eine Erhöhung der mittleren Wirksamkeit pro Stab 1 durch die bessere Anordnung des Absorberstabsystems über dem Coreradius und evtl. durch die Erniedrigung der maximalen Wirksamkeit eines Stabes 3. Diese "kann abnehmen, obwohl die mittlere Wirksamkeit pro Stab zunimmt.

In Fig. 2 ist eine mögliche Anordnung der Absorberstäbe 1 über den Corequerschnitt 2 gezeigt, bei der die in der Fig. 1 dargestellte Anordnung der Stäbe 1 beibehalten wurde und bei der zwischen die außen liegenden Absorberstäbe 1 zusätzliche Absorberstäbe 6 (als Kreise gezeichnet) eingesetzt wurden.

Die in Fig. 3 gezeigte Anordnung der Absorberstäbe 1 wird durch ein sich nach außen ständig verringerndes Gitterraster erzielt.

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Hier sind in der Mitte des Cores 4 nur wenige Stäbe 1 pro Querschnittsfläche vorhanden. In den äußeren Bereichen nimmt die Belegungsdichte der Corequerschnittsflache 2 mit Absorberstäben 1 jedoch stark zu. Bei dieser Stabanordnung ist auch in der Coremitte ein Absorberstab 7 angebracht.■

In der Fig. h ist der typische Verlauf des thermischen Neutronenflusses φ in Abhängigkeit vom Coreradius r dargestellt. Bei einem Core mit einer üblichen Anordnung der Absorberstäbe 1 hat der Neutronenfluß nach der Abschaltung des Reaktors einen etwa der Kurve a folgenden Verlauf. Der Fluß ist in der Coremitte relativ niedrig, nimmt nach außen zu und steigt stark an der Reflektorwand 5, um danach im Reflektor wieder abzufallen. Den Verlauf des Neutronenflusses bei einer Anordnung der Absorberstäbe 1 nach Fig. 3 zeigt die Kurve b, die einen nahezu gleichmäßigen Verlauf hat. Lediglich im Reflektorbereich ist eine geringfügige Erhöhung vorhanden.

In der Fig. 5 ist der Verlauf günstiger Verteilungen der relativen Belegungsdichten s in Abhängigkeit vom relativen Coreradius r dargestellt. Die Kurve χ ergibt eine kontinuierliche Verteilung der Absorberstäbe über den Corequerschnitt wieder. Die Kurve y zeigt den Verlauf der Belegungsdichte s bei diskontinuierlicher Verteilung der Stäbe. In beiden Fällen nimmt die Belegungsdichte s von der Mitte des Cores ausgehend zu. Es ist günstig, wenn der Schnittpunkt der Kurven χ und y mit der Belegungsdichte s= 1,0 so gewählt wird, daß die von den betreffenden Radien T₁ und r₂ - T^ bestimmten Kreis- bzw. Ringflächen des Corequerschnitts gleich groß sind. Außerdem werden besonders gute Ergebnisse erreicht, wenn bei diskontinuierlicher Verteilung der Stäbe die Stabkränze auf den Radien r„, r und r^ angeordnet werden, die eine Aufteilung der Corequerschnittsflache in untereinander gleich große Kreis- bzw. Ringflächen ergeben. Die Kreisfläche aus r_ ist etwa gleich den Ringflächen aus r - r oder

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Γι - r oder r„ - r . Weiter ist es zweckmäßig, wenn bei einer Zonung des Cores in radialer Richtung durch Brennelemente mit unterschiedlichem Spaltstoffgehalt die Zonengrenzen und die Absorberstabkränze zusammenfallen.

Beispiel

Bei einem 1000-MWe-Kugelhaufenreaktor mit einem Coreradius von cm werden folgende Anordnungen der Absorberstäbe gewählt:

1. Anordnung der Stäbe auf einem regelmäßigen Dreiecksgitter entsprechend Fig. 1, also 108 Stäbe.

Wirksamkeit dieses Systems:
Maximale Stabwirksamkeit:

Bei Sicherheitsanalyse anzusetzende 22$Δk Wirksamkeit

2. Anordnung der Stäbe nach der Erfindung mit zunehmender Stabdichte nach außen; wiederum 108 Stäbe.

Wirksamkeit des Systems

Maximale Stabwirksamkeit 2$ Ale

Bei der Sicherheitsanalyse 25$^k

anzusetzende Wirksamkeit ' λ

Anordnung nach der Erfindung, aber Reduktion der Stabanzahl derart, daß gleiche Wirksamkeit für die Sicherheitsanalyse gegeben ist. Ca. 90 Stäbe.

Wirksamkeit des Systems 24$ <dk

Maximale Stabwirksamkeit 2$

Bei Sicherheitsanalyse anzusetzende 22$ Wirksamkeit

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Claims (8)

1. Patentansprüche

   Kernreaktor, insbesondere gasgekühlter, graphitmoderierter Kernreaktor mit einem Core aus einer Schüttung kugelförmiger Brennelemente, einem das Core umgebenden aus Decke, zylindrischer Seitenwand und Boden gebildeten Reflektor und mit in das Core einfahrbaren Absorberstäben zur Steuerung und Regelung des Reaktors, dadurch gekennzeichnet, daß die Belegungsdichte (s) der Corequerschnittsflache (2) mit Absorberstäben (i) von der Coremitte zum Corerand hin zunimmt,
2. 2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Belegungsdichte (s) durch Verringerung des Gitterrasters vergrößert wird.
3. 3· Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergrößerung der Belegungsdichte (s) durch Verringerung des Abstandes zwischen den auf den jeweils äußeren Absorberstabkränzen angeordneten Stäben (i) erzielt wird.
4. 4, Reaktor nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Belegungsdichte (s) durch Verringerung des Abstandes zwischen den Absorberstabkränzen vergrößert wird.
5. 5. Reaktor nach den Ansprüchen 1 bis h, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Belegungsdichte (s) des Cores mit Absorberstäben (i) für den Coreradius (r*) gewählt wird, der die Querschnittsfläche des Cores (2) in etwa gleichgroße Flächen aufteilt.

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6. 6. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5t dadurch gekenn zeichnet , daß das Core (2) aus mehreren radial konzentri schen Zonen besteht.
7. 7· Reaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltstoffgehalt der Brennelemente der äußersten Zone
   niedriger ist als der Spaltstoffgehalt der Brennelemente der benachbarten inneren Zone,
8. 8. Reaktor nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet,
   daß die äußersten Absorberstäbe im Grenzbereich zwischen der äußersten Zone und der benachbarten inneren Zone
   angeordnet sind.

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