DE3030510A1

DE3030510A1 - Mit kugelfoermigen brennelementen beschickter gasgekuehlter hochtemperaturreaktor

Info

Publication number: DE3030510A1
Application number: DE19803030510
Authority: DE
Inventors: Claus Dr.-Ing. 6702 Bad Dürkheim Elter; Hans Georg 6834 Ketsch Schwiers; Josef Dipl.-Ing. 7521 Hambrücken Schöning
Original assignee: Hochtemperatur Reaktorbau 5000 Koeln GmbH; Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Current assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Priority date: 1980-08-13
Filing date: 1980-08-13
Publication date: 1982-03-11
Also published as: JPS57131094A; US4777012A; JPS6351514B2; DE3030510C2

Description

HOCHTEMPERATÜR-REAKTORBAU GmbH Köln

Int. Nr. 7964 Mannheim, 12.06.80

Mit kugelförmigen Brennelementen beschickter gasgekühlter Hochtemperaturreaktor

Die Erfindung betrifft einen mit kugelförmigen Brennelementen beschickten gasgekühlten Hochtemperaturreaktor mit einem die Brennelementschüttung allseitig umgebenden Reflektor, an dessen den Kernboden bildenden unteren Teil (Bodenreflektor) aus Graphitsäulen sich ein Heißgassammeiraum anschließt, der nach unten hin von den aus Graphitblöcken bestehenden Bodenlagen des Hochtemperaturreaktors begrenzt wird, mit einer Zugabeeinrichtung und einer Abzugseinrichtung für die kugelförmigen Brennelemente, wobei die Abzugseinrichtung aus mindestens einem den Bodenreflektor und die Bodenlagen durchdringenden keramischen Kugelabzugsrohr und jeweils einem sich unterhalb der Bodenlagen an das keramische Kugelabzugsrohr anschließenden metallischen Kugelabzugsrohr besteht.

Hochtemperaturreaktoren, deren Kern von einer Schüttung kugelförmiger Brennelemente gebildet wird, die kontinuierlich dem Kern zugegeben und nach dem Abbrand aus dem Kern abgezogen werden, gehören zum Stand der Technik. Derartige Kernreaktoren weisen in ihrem unteren Teil sehr hohe Gastemperaturen auf, die nur hochwarmfestes Material für den Bodenreflektor, die Bodenlagen und den innerhalb des Kernaufbaus befindlichen Teil der Kugelabzugsexnrichtung zulassen.

Diese Bauteile sind daher aus keramischem Material wie Graphit gefertigt, das jedoch keinen großen Zug- und Biegebeanspruchungen standhält. Die Kräfte des Reaktorkerns werden daher auf einen thermischen Schild übertragen, der aus Metall, vorzugsweise Gußmaterial, hergestellt ist und den gesamten Reflektor umschließt. Bei der Abzugseinrichtung für die kugelförmigen Brennelemente wird nur der Teil der Abzugsrohre, der sich innerhalb des von dem thermischen Schild umschlossenen Raumes befindet, aus keramischem Werkstoff gefertigt. Die weiterführenden Kugelabzugsrohre, die die keramischen Abzugsrohre mit einem Schrottabscheider verbinden, bestehen aus Gründen einer höheren Festigkeit aus Metall.

Es hat sich nun gezeigt, daß auch die metallischen Kugelabzugsrohre in ihrem an die keramischen Abzugsrohre anschließenden Bereich noch einer hohen Temperaturbelastung ausgesetzt sind. Diese resultiert daraus, daß die vor den keramischen Abzugsrohren anstehenden und in diesen befindlichen Brennelemente nicht völlig abgebrannt sind und somit noch Leistung erzeugen. Eine Herabsetzung der Temperatur in dem genannten Bereich läßt sich daher nur herbeiführen, wenn der Neutronenfluß in^den keramischen Kugelabzugsrohren unterbunden bzw. begrenzt wird.

Es gehört zum Stand der Technik (OS 23 47 817), bei einem Kernreaktor mit kugelförmigen Brennelementen und einmaligem Durchgang der Brennelemente durch den Reaktorkern in dem Deckenreflektor und/oder dem oberen Teil des Seitenreflektors neutronenabsorbierende Stoffe vorzusehen, um in den dosisgefährdeten Bereichen des Reflektors den schnellen Neutronenfluß herabzusetzen und damit eine Schädigung des Reflektorgraphits zu verhindern.

Bekannt ist auch ein Verfahren zum Betreiben eines Hochtemperaturreaktors der eben beschriebenen Bauart (OS 22 41 873), mit dem die Leistungsverteilung in dem Reaktorkern derart beeinflußt werden kann, daß die axiale Leistungsdichte nach unten hin nur wenig abfällt. Eine solche Betriebsweise erlaubt eine höhere Belastung der Brennelemente, die entweder für eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Kernreaktors oder zur Erhöhung seiner Sicherheit ausgenutzt wird. Zur Erreichung dieses Zieles wird eine Reihe von Maßnahmen vorgeschlagen, unter anderem auch die Zugabe abbrennbarer Gifte mit der Beschickungscharge, durch die die Leistungserzeugung in die tieferen Bereiche des Reaktorkerns verlagert wird. Die abbrennbaren Gifte können auch im Decken-, Boden- und/oder seitlichen Reflektor vorgesehen sein.

Weiterhin ist es bekannt (OS 23 65 531), bei einem Kernreaktor mit kugelförmigen Brennelementen und direkt in die Brennelement schüttung einfahrbaren Absorberstäben durch eine besondere Maßnahme die Abschaltwirksamkeit der Absorberstäbe zu verbessern, ohne daß die Zahl der Absorberstäbe erhöht oder ihre Eindringtiefe vergrößert zu werden braucht.

Diese Maßnahme besteht darin, den Graphit des Bodenreflektors sowie des unteren Teils des Seitenreflektors mit neutronenabsorbierenden Stoffen zu dotieren. Es liegt hier also eine quasi homogene Vergiftung der unteren Reflektorbereiche vor, was den Nachteil hat, daß die neutronenabsorbierenden Stoffe in kürzester Zeit abbrennen, ihre Wirksamkeit also nicht für die mit ca. 30 bis 40 Jahren angesetzte Standzeit eines Kernreaktors ausreicht.

Von diesem Stand der Technik ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen gasgekühlten Hochtemperaturreaktor der eingangs beschriebenen Bauart so auszugestalten, daß die Temperatur von dem Kernboden bis zu den metallischen Kugelabzugsrohren hinreichend abgesenkt wird, so daß die thermische Belastung der letztgenannten Abzugsrohre in zulässigen Grenzen bleibt.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß jedes keramische Kugelabzugsrohr im Bereich des Bodenreflektors und des Heißgassammelraumes unmittelbar von einem Kranz von Graphitsäulen umgeben ist, in denen in einer Vielzahl von Aussparungen Borkörper angeordnet sind.

Durch die Borkörper wird dei' Neutronenfluß in dem betreffenden Bereich so stark vermindert, daß keine Leistung mehr von den Brennelementen erbracht werden kann.

Zur Verstärkung der Neutronenabsorption können noch weitere Borkörper im Bereich der Bodenlagen des Hochtemperaturreaktors vorgesehen sein. Diese Borkörper sind vorzugsweise unmittelbar außen um jedes keramische Kugelabzugsrohr anzuordnen .

Als eine vom wirtschaftlichen Standpunkt aus sehr günstige Lösung empfiehlt es sich, die in den Graphitsäulen vorgesehenen Borkörper als Stäbe auszubilden und diese Stäbe in ihrer Form und Größe angepaßte vertikale Bohrungen einzusetzen. Die Länge der Borstäbe kann vorteilhafterweise so festgelegt sein, daß die Graphitsäulen nahezu gänzlich von den Borstäben durchdrungen sind.

Vorzugsweise sind die Borstäbe in mindestens zwei Reihen um jedes keramische Kugelabzugsrohr angeordnet, und die verschiedenen Reihen angehörenden Borstäbe sind so gegeneinander versetzt, daß sie jeweils auf Lücke stehen.

Die im Bereich der Bodenlagen befindlichen Borkörper können vorteilhafterweise aus massiven Platten bestehen, die derart angeordnet sind, daß jedes keramische Kugelabzugsrohr in diesem Bereich vollständig oder nahezu vollständig von ihnen umhüllt wird.

Die gewählte Form der Borkörper und die Art ihrer Unterbringung bewirken, daß die Temperatur in Richtung auf die metallischen Kugelabzugsrohre allmählich abgesenkt wird, so daß in den konstruktiven Bauteilen des Hochtemperaturreaktors keine bzw. nur geringe Wärmespannungen entstehen. Überdies lassen sich die vorgeschlagenen Borstäbe und Borplatten gut in die entsprechenden Graphitbauteile (Graphitsäulen bzw. Bodenlagen) einbauen. Die Realisierung der Erfindung erfordert daher keinen großen Aufwand.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des gasgekühlten Hochtemperaturreaktors gemäß der Erfindung schematisch dargestellt. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den gesamten Hochtemperaturreaktor ,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus dem Reaktorboden mit einem keramischen Kugelabzugsrohr in größerem Maßstab, ebenfalls im Längsschnitt,

Fig. 3 die Draufsicht auf das in Fig. 2 gezeigte Kugelabzugsrohr sowie zwei Querschnitte nach den Linien A-A und B-B der Fig. 2.

Die Fig. i läßt einen Reaktordruckbehälter 1, beispielsweise aus Spannbeton, mit einer zylindrischen Kaverne 2 erkennen, in der ein Hochtemperaturreaktor 3 und eine Anzahl von Dampferzeugern (nicht dargestellt) installiert sind.

Der Kern des Hochtemperaturreaktors 3 wird von einer Schüttung 4 kugelförmiger Brennelemente 5 gebildet, die durch
eine Kugelabzugseinrichtung 6 aus der Schüttung 4 abgezogen werden. Die Zugabeeinrichtung für die Brennelemente 5
ist nicht gezeigt. Die Schüttung 4 wird von oben nach unten von Helium als Kühlgas durchströmt.

Die Schüttung 4 ist allseitig von einem Graphitreflektor
umgeben, der aus einem Deckenreflektor 7, einem als Tragboden dienenden Bodenreflektor 8 und einem zylindrischen Seitenreflektor 9 besteht. In dem Deckenreflektor 7 sind Durchdringungen 10 für (nicht gezeigte) Absorberstäbe vorgesehen, die unmittelbar in die Schüttung 4 einfahrbar sind. Der Bodenreflektor 8, der aus nebeneinander angeordneten Graphitsäulen zusammengefügt ist (aus der Fig. 2 zu ersehen), ruht auf Rundsäulen 14, die sich auf den Bodenlagen 11 des Hochtemperaturreaktors 3 abstützen. An die Bodenlagen 11 schließt sich nach unten ein thermischer Bodenschild 12 als Bodenplatte an.

Der zwischen den Rundsäulen 14 befindliche freie Raum bildet den Heißgassammeiraum 13 des Hochtemperaturreaktors 3, an
den radial mehrere Heißgasführungen 15 angeschlossen sind.
Diese stehen mit den Dampferzeugern in Verbindung. Nach seiner Abkühlung und Verdichtung wird das Helium durch Leitungen 16, die koaxial zu den Heißgasführungen 15 verlegt sind, zu dem Reaktorkern zurückgeführt.

Der Seitenreflektor 9 ist von einem ebenfalls zylindrischen thermischen Seitenschild 17 umschlossen, wobei zwischen den beiden Bauteilen ein Ringraum 18 vorgesehen ist, der mit den Leitungen 16 in Verbindung steht. In dem Ringraum 18 sind elastische Stützelemente angeordnet, mit denen sich der Seitenreflektor 9 an dem thermischen Seitenschild 17 abstützt (nicht dargestellt). Der Ringraum 18 ist strömungsmäßig mit einem Kaitgassamme1raum 19 verbunden, der nach unten hin von dem Deckenreflektor 7 und nach oben hin von einem thermischen Deckenschild 20 begrenzt wird.

Die Kugelabzugseinrichtung 6 besteht aus sechs keramischen Kugelabzugsrohren 21, an die sich außerhalb der Bodenlagen jeweils ein metallisches Kugelabzugsrohr 22 anschließt. Jedes keramische Kugelabzugsrohr 21 ist von einer Borabschirmung 23 umgeben, wie in den Figuren 2 und 3 näher erläutert ist.

Die Figuren 2 und 3 zeigen eines der keramischen Kugelabzugsrohre 21 mit seiner näheren Umgebung. Der Bodenreflektor 8 besteht aus Graphitsäulen 8a und 8b, die ihrerseits aus einzelnen Graphitblöcken zusammengefügt sind. Die obersten dieser Graphitblöcke weisen eine Vielzahl von Kühlgasbohrungen 24 auf, die mit Sammelräumen 25 in den anschließenden Graphitblöcken in Verbindung stehen. Über größere Bohrungen 26 ist jeder Sammelraum 25 an den Heißgassammeiraum angeschlossen.

Das keramische Kugelabzugsrohr 21 ist unmittelbar von einem Kranz von Graphitsäulen 8a umgeben, die sich noch durch den Heißgassammelraum 13 erstrecken und direkt auf den Bodenlagen 11 abstützen. Die Bodenlagen 11 sind aus Graphitblöcken 11a zusammengefügt, die in unmittelbarer Umgebung des keramischen Kugelabzugsrohres 21 mittels Dübel 27 in ihrer Lage gehalten werden.

Die oben erwähnte Borabschirmung 23 besteht aus einer Vielzahl von Borstäben 28 und einer Reihe von massiven Borplatten 29. Die Borstäbe 28 sind in den Stäben angepaßten vertikalen Bohrungen angeordnet, die sich durch die gesamte Länge der Graphitsäulen 8a erstrecken. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Reihen a und b von Bohrungen vorgesehen, die jeweils auf einem Kreis mit der Mittelachse des Kugelabzugsrohres 21 als Mittelpunkt angeordnet sind. Die Bohrungen der beiden Reihen a und b sind gegeneinander derart versetzt, daß die Borstäbe 28 auf Lücke stehen. Die Borstäbe 28 füllen die ganze Länge der Bohrungen aus.

Die massiven Borplatten 29 befinden sich im Bereich der Bodenlagen 11. Sie sind unmittelbar außen um das keramische Kugelabzugsrohr 21 angeordnet und so gestaltet, daß sie das Kugelabzugsrohr 21 in ümfangsrichtung vollständig und in axialer Richtung nahezu vollständig umhüllen.

Die aus den Körpern 28 und 29 bestehende Borabschirmung 23 verhindert eine Leistungserzeugung von Brennelementen 5 in dem keramischen Kugelabzugsrohr 21, wodurch die Temperatur des sich an das Abzugsrohr 21 anschließenden metallischen
Kugelabzugsrohres 22 in zulässiger Höhe gehalten werden kann.

Leerseite

Claims

303C510

Int. Nr. 79 64 Mannheim, 11.06.80

Ansprüche

IJ. Mit kugelförmigen Brennelementen beschickter gasgekühlter Hochtemperaturreaktor mit einem die Brennelementschüttung allseitig umgebenden Reflektor, an dessen den Kernboden bildenden unteren Teil (Bodenreflektor) aus Graphitsäulen sich ein Heißgassammelraum anschließt, der nach unten hin von den aus Graphitblöcken bestehenden Bodenlagen des Hochtemperaturreaktors begrenzt wird, mit einer Zugabeeinrichtung und einer Abzugseinrichtung für die kugelförmigen Brennelemente, wobei die Abzugseinrichtung aus mindestens einem den Bodenreflektor und die Bodenlagen durchdringenden keramischen Kugelabzugsrohr und jeweils einem sich unterhalb der Bodenlagen an das keramische Kugelabzugsrohr anschließenden metallischen Kugelabzugsrohr besteht, dadurch gekennzeichnet, daß jedes keramische Kugelabzugsrohr (21) im Bereich des Bodenreflektors (8) und des Heißgassammelrauras (13) unmittelbar von einem Kranz von Graphitsäulen (8a) umgeben ist, in denen in einer -Vielzahl von Aussparungen Borkörper (28) angeordnet sind.

_ ₂ _ 30305 Ί Ο
2. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Bodenlagen (11) weitere Borkörper (29) vorgesehen sind, die unmittelbar außen um jedes keramische Abzugsrohr (21) angeordnet sind.
3. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß die in den Graphitsäulen (8a) vorgesehenen Borkörper als Stäbe (28) ausgebildet und in entsprechenden vertikalen Bohrungen eingesetzt sind.
4. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Borstäbe (28) gleich oder wenigstens annähernd gleich der Länge der jedes keramische Kugelabzugsrohr (21) umgebenden Graphitsäulen (8a) ist.
5. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Borstäbe (28) in mindestens zwei Reihen (a, b> um jedes keramische Kugelabzugsrohr (21) angeordnet sind.
6. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Borstäbe (28) der einzelnen Reihen (a, b) gegeneinander versetzt sind.
7. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Borkörper in den Bodenlagen (11) aus massiven Platten (29) bestehen, die jedes keramische Kugelabzugsrohr (21) in diesem Bereich vollständig oder nahezu vollständig umhüllen.