DE3009937A1

DE3009937A1 - Hochkonverterreaktor

Info

Publication number: DE3009937A1
Application number: DE19803009937
Authority: DE
Inventors: Peter Ing.(grad.) 8551 Leutenbach Rau; Gerhard Dr.-Ing. 8520 Erlangen Ulrych
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1980-03-14
Filing date: 1980-03-14
Publication date: 1981-09-24

Description

Hochkonverterreaktor
Die Erfindung betrifft einen Hochkonverterreaktor mit einem Primärkühikreis zur Wasserkühlung eines Reaktorkerns, der in dem Reaktordruckbehälter eines Druckwasserreaktors mit Leichtwasserkühlung sitzt.
In dem Aufsatz "High Conversion Ratio Plutonium Recycle in Pressurized Water Reactors" von M.C. Edlund in Annals of Nuclear Energy, 1975, Vol. 2, Seiten 801 bis 807 wird der Vorschlag gemacht, die Brennstoffausnutzung von Kernbrennstoffen durch die Verwendung von Plutonium zu verbessern, ohne daß dazu von der erprobten Bauweise der bisher dominierenden wassergekühlten Kernreaktoren abgegangen wird. Dabei ist allerdings die Bauweise solcher als Hochkonverterreaktoren bezeichneten Kernreaktoren mindestens insofern offengelassen, als die großen Probleme der Kühlung des Reaktorkerns einschließlich der Notkühlung und der sicheren Beherrschung von Leistungsexkursionen ungelöst sind. Diese Probleme beruhen auf der größeren Energiedichte solcher Reaktoren, die sich u.a. in einem vergleichsweise geringen Kernvolumen, aber zugleich einem höheren Strömungswiderstand gegenüber dem Kühlmittel ausdrückt.
Die Erfindung sucht deshalb eine konstruktive Ausbildung, die unter weitgehender Beibehaltung der Konstruktionsmerkmale eines Leichtwasserreaktors zu einem betriebssicheren und wirtschaftlichen Hochkonverterreaktor führt.
Der normale Druckwasserreaktor soll dabei durch einen oxidischen Uranbrennstoff mit einer Anreicherung von höchstens 3,5,' charakterisiert und bei einer Leistungsgröße von 2000 bis 4000 MWth etwa entsprechend der Standardbauweise der Anmelderin ausgeführt sein, wie sie in der Druckschrift " "Druckwasserreaktor", Bestellnummer KWU 295a, insbesondere Seite 4, angegeben ist.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß der Reaktorkern höchstens die 0,7-fache Höhe des Druckwasserreaktorkernes aufweist und in dessen unterster Lage angeordnet ist, daß in an sich bekannter Weise die mit Stahlhüllrohren versehenen Brennstäbe zu hexagonalen Brennelementen gebündelt sind, daß jedes Brennelement mit einem Absorberelement versehen ist und daß die Absorberelemente mehrerer Brennelemente über spinnenförmige Verbindungsstücke mit einem gemeinsamen Antrieb gekoppelt sind.
Bei der Erfindung wird zwar an sich Raum im Reaktordruckbehälter verschenkt, weil die Größe eines Druckgefäßes für einen normalen Druckwasserreaktor beibehalten wird.
Aus diesem "verschenkten" Raum ergibt sich jedoch ein besseres Verhalten für die Kühlung, insbesondere im Fall der Notkühlung, weil der Kühlmittel stand über dem Reaktorkern in bezug auf die üblichen Anschlußstutzen des Primärkühlkreises wesentlich erhöht ist. Mit dieser höheren Kühlmittelsäule können größere Wärmemengen auch zum Beispiel in Naturumlauf, jedenfalls ohne nennenswerten Pumpendruck, abgeführt werden. Außerdem kann der oberhalb des Kernes bestehende und in diesem Sinne durch die Erfindung 1,gewonnene" Raum für Verbindungsstücke genutzt werden, die Absorberelemente mit den Antrieben verbinden, weil solche Absorberelemente bei einem normalen Druckwasserreaktor nur für höchstens ein Drittel der Brennelemente vorgesehen sind, während sie bei dem erfindungsgemäßen Hochkonverterreaktor jedem Brennelement Absorberelemente zugeordnet sind.
Das Verbindungsstück ist vorzugsweise so ausgebildet, daß es außer einer lösbaren Kupplung mit dem Antrieb eine weitere lösbare Kupplung in jeder Verbindung mit einem Absorberelement aufweist. Dies ermöglicht es, das Verbindungselement getrennt auszubauen, so daß die Absorberelemente auch beim Brennelementwechsel oder nach dem Endabbrand in den Brennelementen verbleiben, um den unterkritischen Zustand sicherzustellen.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Reaktordruckbehälter außer Anschlußstutzen des Primärkreises mindestens zwei weitere Anschlußstutzen aufweist, von denen der eine in den oberen Teil und der andere zum Boden des Reaktordruckbehälters führt. Die weiteren Anschlußstutzen sitzen vorteilhaft in einem Deckel des Reaktordruckbehälters, wobei von dem einen eine den Kern umgehende Leitung zum Boden des Reaktordruckbehälters führt. Diese Ausbildung ermöglicht es, den Hochkonverterreaktor nach der Erfindung auch mit schwerem Wasser als Kühlmittel zu betreiben, um die Konversionsrate zu verbessern, und dennoch bei einem Brennelementwechsel eine Bedeckung des Reaktorkerns mit leichtem Wasser zu haben, die die Abschirmwirkung des Wassers in der bisher bekannten Weise beim Brennelementwechsel auszunutzen gestattet.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel beschrieben, und zwar in der Gegenüberstellung eines in Fig. 1 dargestellten Druckwasserreaktors mit dem in Fig. 2 gezeigten Hochkonverterreaktors nach der Erfindung. Beide Figuren zeigen jeweils einen Vertikalschnitt durch den Reaktordruckbehälter.
Der Reaktordruckbehälter 1 ist ein zylindrisches Stahlgefäß mit einem Kugelboden 2 und einem Befestigungsflansch 3 am oberen Ende, der zum Aufspannen eines gewölben Deckels 4 dient. Dicht unterhalb des Flansches 3 sind um den Umfang verteilt Anschlußstutzen 5 für einen helßen Strang und Anschlußstutzen 6 für einen kalten Strang eines nur in Fig. 1 schematisch dargestellten Primärkühlkreises 7 mit einem Dampferzeuger 8 und einer Hauptkiihlmittelpumpe 9 vorgesehen.
Der Reaktordruckbehälter 1 umschließt einen konzentrisch angeordneten Kernbehälter 10, in dem beim Druckwasserreaktor Brennelemente 11 mit quadratischem Querschnitt so nebeneinandergesetzt sind, daß ein Reaktorkern 12 mit der Kernhöhe H1 von 4 m oder mehr entsteht. ublicherweise sind bei einem Druckwasserreaktor von zum Beispiel 3780 MWth 193 Brennelemente mit einer maximalen Anreicherung von 3,296 vorgesehen. Von diesen enthalten 53 ein als Steuerelement bezeichnetes Absorberelement, das in der Fig. 1 bei 13 zu sehen ist.
Die Steuerelemente 13 werden von nicht weiter dargestellten äußeren Antrieben betätigt, die durch Stutzen 14 im Deckel 4 greifen und mit den Absorberelementen 13 über Verbindungsstangen 15 gekoppelt sind. Die Antriebe besitzen dabei eine lösbare Kupplung oberhalb der Verbindungsstangen, so daß die Absorberelemente 13 zur Schnellabschaltung des Reaktors unter der Wirkung der Schwerkraft in den Reaktorkern 12 einfallen können.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Hochkonverterreaktor ist der Reaktorkern 20, der aus hexagonalen Brennelementen mit Stahlhüllrohren für die Brennstäbe zusammengesetzt ist, nur ca. 2,5 m hoch.
Seine Kernhöhe H2 beträgt deshalb nur das 0,64-fache der Kernhöhe H1. Dabei liegt, wie ein Vergleich der Fig.1 und 2 zeigt, die Kernunterkante in derselben Höhe wie beim Kern 12, nämlich praktisch am Beginn der Krümmung des Kugelbodens 2.
Der über dem Kern 20 liegende Raum bis zu den Anschlußstutzen 5 und 6 mit der Höhe H3 von ca. 2,1 m bildet im normalen Betrieb ein zusätzliches Reservoir für das zur Kühlung verwendete leichte oder schwere Wasser. Außerdem nimmt dieser Raum die zur Betätigung der nicht weiter dargestellten Absorberelemente dienenden Verbindungsstücke 21 auf, die dafür sorgen, daß jedes der eingesetzten hexagonalen Brennelemente 22 mit einem Absorberelement versehen werden kann.
Die Verbindungsstücke 21 sind mit spinnenförmigen Armen ausgerüstet, die über mehrere benachbarte Brennelemente greifen und über nicht sichtbare Kupplungen mit den jeweils einem Brennelement 22 zugeordneten Absorberstäben verbunden sind. Weitere lösbare Kupplungen an der mit 23 bezeichneten Oberseite der Verbindungsstücke 21 oder aber im Bereich der nicht dargestellten Antriebe, die auf Rohrstutzen 24 des Deckels 4 sitzen, ermöglichen eine Abtrennung, bei der die Absorberelemente nicht nur unter der Wirkung der Schwerkraft in den Kern 20 einfallen können, sondern auch dort verbleiben,wenn die Verbindungsstücke ausgebaut werden, damit die einzelnen Brennelemente zusammen mit ihren zugehörigen Absorberelementen für einen Brennelementwechsel zur Verfügung stehen.
Der Deckel 4 ist, wie Fig. 2 zeigt, zusätzlich mit zwei Anschlußstutzen 26 und 27 versehen. Der Stutzen 26 führt im Inneren des Reaktordruckbehälters 1 zu einem Auslaß unmittelbar an der Deckelunterseite. Vom Stutzen 27 führt dagegen eine Leitung 28 unter Umgehung des Reaktorkerns 20 zur Unterseite des Reaktordruckbehälters. Die trichterförmig aufgeweitete Mündung 29 liegt in der Mitte des Kugelbodens 2.
Mit den Anschlußstutzen 26 und 27 kann für den Fall, daß der Hochkonverterreaktor nach Fig. 2 mit schwerem Wasser als Kühlmittel betrieben wird, ein Austausch dieses schweren Wassers gegen leichtes Wasser vorgenommen werden, bei dem die Dichteunterschiede zwischen schwerem und leichtem Wasser ausgenutzt werden. Bei abgefahrenem Reaktor, d.h. praktisch drucklosem Primärkreis 7 und möglichst niedriger Temperatur, und nach dem Austausch des schweren durch leichtes Wasser kann der Deckel 4 abgebaut werden, so daß ein Brennelementwechsel in der bei Leichtwasserreaktoren üblichen Art ausgeführt werden kann, bei dem eine größere Menge von Brennelementen 22, zum Beispiel ein Drittel des gesamten Kernes 20 ausgebaut und durch frische Brennelemente 22 ersetzt wird.
4 Patentansprüche 2 Figuren

Claims

Patentans rUche , Hochkonverterreaktor mit einem Primärkühlkreis zur Wasserkühlung eines Reaktorkerns, der in dem Reaktordruckbehälter eines Druckwasserreaktors mit Leichtwasserkühlung sitzt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t, daß der Reaktorkern (20) höchstens die 0,7-fache Höhe des Druckwasserreaktorkernes (12) aufweist und in dessen unterster Lage angeordnet ist, daß in an sich bekannter Weise die mit Stahihülirohren versehenen Brennstäbe zu hexagonalen Brennelementen (22) gebündelt sind, daß jedes Brennelement (22) mit einem Absorberelement versehen ist und daß die Absorberelemente mehrerer Brennelemente (22) huber spinnenförmige Verbindungsstücke (21) mit einem gemeinsamen Antrieb gekoppelt sind.
2. Hochkonverterreaktor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Verbindungsstück (22) außer einer lösbaren Kupplung in der Verbindung mit dem Antrieb eine weitere lösbare Kupplung in jeder Verbindung mit einem Absorberelement aufweist.
3. Hochkonverterreaktor nach Anspruch 1 oder 2, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Reaktordruckbehälter (1) außer Anschlußstutzen (5,6) des Primärkreises (7) mindestens zwei weitere Anschlußstutzen (26, 27) aufweist, von denen der eine in den oberen Teil und der andere zum Boden des Reaktordruckbehälters (1) führt.
4. Hochkonverterreaktor nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß beide weiteren Anschlußstutzen (26, 27) in einem Deckel (4) des Reaktordruckbehälters (1) sitzen und daß von dem einen eine den Kern (20) umgehende Leitung (28) zum Boden des Reaktordruckbehälters (1) führt.