DE3641993A1 - Hochtemperaturreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochtemperaturreaktor mit einem Brennelemente enthaltenden Reaktorkern, durch den ein Kühlgaskreislauf geht.

Für Hochtemperaturreaktoren stellen sogenannte Kernaufheizstörfälle die das Gesamtrisiko dominierenden Störfälle dar. Diese Kernaufheizstörfälle zeichnen sich durch einen lang andauernden Ausfall aller zur Kernkühlung vorhandenen aktiven Einrichtungen aus. Auf Grund der Nachzerfallswärme heizt sich der Reaktorkern dann je nach Reaktoranlage im Zeitbereich zwischen 5 bis 20 Stunden bereichsweise auf Temperaturen auf, bei denen eine weitestgehende Rückhaltung der nuklearen Spaltprodukte in den Brennstoffpartikeln nicht mehr gegeben ist. Nach Verlassen der Brennstoffpartikeln diffundieren die Spaltprodukte durch die umgebenden Graphitschichten der block- oder kugelförmig ausgebildeten Brennelemente und gelangen in den Kühlgasbereich, wo sie mit einer natürlichen Konvektionsbewegung des Kühlgases in Richtung auf die oberen Bereiche des Reaktorkerns transportiert werden. Durch Sorption am Graphit der kälteren Brennelemente sowie am Deckenreflektor werden die metallischen Spaltprodukte Cäsium, Rubidium, Strontium, Barium und in geringem Umfang Silber teilweise zurückgehalten oder ihr Austritt aus dem Reaktorkern verzögert.

Bei den risikobestimmenden Kernaufheizstörfällen wird der Primärkreisdruck den Ansprechdruck vorhandener Sicherheitsventile überschreiten. Da ein Versagen dieser Sicherheitsventile in Offenstellung mit hoher Wahrscheinlichkeit unterstellt werden muß, ergibt sich damit eine Verbindung zwischen Primärkreis des Reaktors und dem Reaktorschutzgebäude, durch welche die vorgenannten Spaltprodukte teilweise in letzteres gelangen können. Ferner können verschiedene Mechanismen dazu führen, daß die Spaltprodukte in radiologisch nicht unbedeutender Menge in die Umgebung freigesetzt werden.

Bisher sind keine Einrichtungen bekannt, die dazu bestimmt oder auch nur geeignet sind, bei Kernaufheizstörfällen Spaltprodukte im Kernbereich zurückzuhalten.

In der GB-PS 14 38 525 ist ein Kühlgasfilter für Hochtemperaturreaktoren beschrieben, der aus einem Graphitkörper mit darin enthaltenen Durchgangslöchern besteht. Dieser Filter soll dazu dienen, die im normalen Reaktorbetrieb anfallenden, metallischen Spaltprodukte, nämlich Cäsium 137, Strontium 90 und Silber 110, aus dem Kühlgas herauszufiltern, damit die im Kühlgaskreislauf angeordneten Wärmetauscher und andere, außerhalb des Reaktorkerns befindliche Komponenten nicht mit diesen Spaltprodukten beaufschlagt werden und deren Reparatur und Inspektion erleichtert wird. Für die Wirksamkeit dieses Kühlgasfilters ist es unumgänglich, daß er im Bereich des bodenseitigen Kühlgasaustrittes aus dem Reaktorkern, auch als Ersatz für dortige Reflektorwandungen, angeordnet wird, so daß er hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Die Filterfunktion soll bei diesen Temperaturen besonders wirksam sein.

Entsprechend seiner Bestimmung als Kühlgasfilter während des Normalbetriebes ist er kapazitätsmäßig so ausgelegt, daß weniger als die Hälfte des bei normaler Betriebsdauer von 30 Jahren zu erwartenden Cäsiumangebotes gefiltert wird. Für die Rückhaltung von Spaltprodukten in Kernaufheizstörfällen wäre ein solcher Kühlgasfilter völlig unterdimensioniert und deshalb praktisch unwirksam. Dies gilt um so mehr, als Graphit zur Rückhaltung von metallischen Spaltprodukten wie Cäsium und Strontium nur wenig geeignet ist, die Auslegung des vorbekannten Kühlgasfilters als Störfallfilter zu praktisch nicht realisierbaren Dimensionen führen würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wirksame Einrichtung zur Rückhaltung von metallischen Spaltproduktisotopen, insbesondere die des Casiums und Strontiums, im Kernbereich von Hochtemperaturreaktoren vorzusehen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Störfallfilter zur Filtrierung der in einem Kernaufheizstörfall aus den Brennelementen austretenden, metallischen Spaltprodukten vorgesehen ist, der im Kühlkreislauf außerhalb des Reaktorkerns, vorzugsweise im Kaltgasbereich des Kühlgaskreislaufs, angeordnet ist und zumindest teilweise aus unvollständig und/oder nicht graphitiertem Kohlenstoff besteht.

Dieser Lösung liegt der schon zur Erfindung gehörende Gedanke zugrunde, die bei einem Kernaufheizstörfall anfallenden, erheblichen Mengen an frei werdenden metallischen Spaltprodukten mit Hilfe eines diese Spaltprodukte sorbierenden Störfallfilters am Austritt aus dem Kernbereich zu hindern. Hierzu ist erforderlich, daß er unter Verwendung des erfindungsgemäßen Materials gefertigt und in der erfindungsgemäßen Weise angeordnet wird. Im Gegensatz zu Graphit hat nämlich unvollständig oder gar nicht graphitierter Kohlenstoff eine hohe Filterwirksamkeit bezüglich der metallischen Spaltprodukte, insbesondere der Isotopen des Cäsiums und Strontiums, so daß der Störfallfilter trotz seiner an die Bedingungen eines Kernaufheizstörfalls angepaßten Kapazität vertretbare Dimensionen hat, also in das Gesamtkonzept eines Hochtemperaturreaktors hineinpaßt. Durch die Anordnung außerhalb des Reaktorkerns wird die für die Filterwirksamkeit wichtige, amorphe Struktur des Kohlenstoffs durch den im Reaktorkern herrschenden, hohen Fluß schneller Neutronen nicht verändert, d. h. es tritt nicht eine die Filterwirksamkeit beeinträchtigende und deshalb unerwünschte Nachgraphitierung auf. Mit dem erfindungsgemäßen Störfallfilter ist somit erstmals eine Einrichtung gefunden, mit der der Austritt von metallischen Spaltprodukten aus dem Kernbereich bei einem Kernaufheizstörfall verhindert oder zumindest wesentlich behindert werden kann.

Der Gehalt an unvollständig oder nicht graphitiertem Kohlenstoff sollte naturgemäß möglichst hoch sein, denn die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Störfallfilters hängt entscheidend von diesem Gehalt ab. Er sollte zumindest 5, vorzugsweise 10 und mehr Gew.% betragen.

Als für den erfindungsgemäßen Störfallfilter besonders geeignete Kohlenstoffmaterialien können vor allen Dingen kohlenstoffhaltige Bindemittel bezeichnet werden, die nach einer Temperaturbehandlung in Sekundärkoks überführt, aber nicht graphitiert worden sind. Solche Bindemittel sind beispielsweise Pech, Teer und Kunstharze, die nach der Wärmebehandlung bei etwa 1000°C auch als Binderkoks bezeichnet werden. Die Verwendung von Binderkoks für das erfindungsgemäße Störfallfilter ist auch deshalb vorteilhaft, weil hierdurch erosionsbedingte Abtragungen und damit eine Staubproduktion verhindert wird.

Der vorbeschriebene Binderkoks liegt mit relativ hohen Gehalten und in der gewünschten, unvollständig oder gar nicht graphitierten Form im sogenannten Matrixgraphit vor, wie er für die Fertigung kugelförmiger Brennelemente für Hochtemperaturreaktoren eingesetzt wird. Für das erfindungsgemäße Störfallfilter eignet sich somit insbesondere dieser Matrixgraphit, vor allem in der Modifikation A 3-3, denn er hat bezüglich der vorerwähnten Spaltprodukte wegen des bei 10 Gew.% liegenden Gehaltes an Binderkokses eine hohe Sorptionsfähigkeit. Außerdem erfüllt dieser Matrixgraphit auch die anderen Anforderungen, die für den Einsatz eines damit ausgestatteten Störfallfilters wesentlich sind, nämlich Reinheit und ausreichende Festigkeit.

Das Störfallfilter sollte oberhalb des Deckenreflektors angeordnet sein, damit gesichert ist, daß es im Störfall mit Naturkonvektion durchströmt wird. Er kann dabei auf dem Deckenreflektor aufliegen.

Der erfindungsgemäße Störfallfilter kann in Form einer mit einer Vielzahl von Bohrungen versehenen Kreisplatte vorliegen, wobei der Gesamtquerschnitt der Bohrungen so gewählt sein sollte, daß hierdurch kein wesentlicher Druckverlust im Kühlgaskreislauf auftritt. Die Gesamtporosität sollte deshalb mindestens 30% betragen. Die Kreisplatte kann eine Dicke von ca. 1 mm haben.

Das erfindungsgemäße Störfallfilter kann aber auch in Form einer Kugelschüttung vorliegen, und zwar auch in Höhe von ca. 1 m. Angestrebt werden sollte dabei eine Gesamtporosität von 40%.

Für das erfindungsgemäße Störfallfilter ergeben sich günstige Verhältnisse insbesondere dann, wenn der Störfallfilter im Kaltgasbereich des Kühlgaskreislaufs angeordnet ist. Auf diese Weise ist gesichert, daß der Störfallfilter während eines Kernaufheizstörfalls nicht Temperaturen erreicht, bei denen eine Desorption der Spaltprodukte Cäsium und Strontium einsetzt, also Temperaturen von 1100°C überstiegen werden. Sofern der Kaltgasbereich jedoch nicht im Bereich des Deckenreflektors liegt, also das Kühlgas durch den Reaktor nicht von oben nach unten strömt, sollte jedoch der Anordnung des Störfallfilters oberhalb des Deckenreflektors der Vorzug gegeben werden, damit er im Störfall auf Grund von Naturkonvektionen auch tatsächlich durchströmt wird. Die Maximaltemperaturen zwischen Konzepten mit Auf- bzw. Abwärtströmung unterscheiden sich nämlich im allgemeinen nicht gravierend, da sich der Deckenreflektorbereich im Falle der Abwärtsströmung im Normalbetrieb während eines Kernaufheizstörfalls schnell erwärmt.

Beispiel 1

Auf dem Deckenreflektor eines Hochtemperaturreaktors wird eine 1 m hohe Kreisplatte mit vertikalen Bohrungen von 2 cm Durchmesser und einer Gesamtporosität von 30% aufgebracht. Die Kreisplatte besteht aus A3-3-Matrixgraphit. Mit dieser Anordnung läßt sich bei den risikobestimmenden Kernaufheizstörfallkategorien im HTR-500 (Kategorien K 1-K 3, vgl. JüL-Spez-220 (1983)) die Freisetzung von Cäsium in den Primärkreis gegenüber dem bisherigen HTR-500-Konzept um zwei Größenordnungen, für Strontium um eine Größenordnung und mehr verringern. Beide Werte gelten für einen Zeitpunkt von 200 h nach Störfallbeginn. Sie wurden mit Hilfe des Störfallrechenprogramms FRESCO - beschrieben bei H. Krohn, JüL-1791 (1982) und H. Krohn, R. Finken, JüL-Spez-212 (1983) ermittelt. Der Betrag der Cäsiumfreisetzung bei diesen Störfallkategorien zum Gesamtrisiko (Kollektivrisiko durch Spätschäden) des HTR-500 liegt bei ca. 85%, der entsrechende Betrag von Strontium bei 5 bis 10%. Es darf daher eine erhebliche Verminderung des Gesamtrisikos der Reaktoranlage um ca. eine Größenordnung erwartet werden.

Zur weiteren Verbesserung der Spaltproduktrückhaltung kann der Graphitierungsgrad des Binderkokes in dem A3-3-Matrixgraphit durch Temperaturerniedrigung beim Graphitierungsprozeß während der Herstellung von 1950°C auf 1600°C verringert werden. Ähnlich wirkt eine Erhöhung des Binderkokes im Matrixgraphit.

Beispiel 2

Auf den Deckenreflektor eines Hochtemperaturreaktors wird eine 1 m hohe Schüttung aus A3-3-Matrixgraphitkugeln mit einer mittleren Porösität von 40% aufgebracht. Diese entsprechen den für den Kugelhaufenhochtemperaturreaktor verwendeten Brennelementen, erhalten jedoch keine Brennstoffpartikeln. Dabei sinkt die Spaltproduktfreisetzung in den Primärkreis für Cäsium und Strontium in ähnlicher Größenordnung wie bei dem Beispiel 1.

Claims (13)

1. Hochtemperaturreaktor mit einem Brennelemente enthaltenden Reaktorkern, durch den ein Kühlgaskreislauf geht, dadurch gekennzeichnet, daß ein Störfallfilter zur Filtrierung der in einem Kernaufheizstörfall aus den Brennelementen austretenden, metallischen Spaltprodukten vorgesehen ist, der im Kühlgaskreislauf außerhalb des Reaktorkerns angeordnet ist und zumindest teilweise aus unvollständig und/oder nicht graphitiertem Kohlenstoff besteht.

2. Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnt, daß der Gehalt an unvollständig oder nicht graphitiertem Kohlenstoff zumindest 5 Gew.% beträgt.

3. Hochtemperaturreaktor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff nicht oder nur unvollständig graphitierter Binderkoks ist.

4. Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff Matrixgraphit ist.

5. Hochtemperaturreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Störfallfilter oberhalb des Deckenreflektors angeordnet ist.

6. Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Störfallfilter auf dem Deckenreflektor aufliegt.

7. Hochtemperaturreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Störfallfilter in Form einer mit einer Vielzahl von Bohrungen versehenen Kreisplatte ausgebildet ist.

8. Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreisplatte eine Gesamtporosität von mindestestens 30% hat.

9. Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreisplatte eine Dicke von ca. 1 m hat.

10. Hochtemperaturreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Störfallfilter in Form einer Kugelschüttung vorliegt.

11. Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelschüttung eine Höhe von ca. 1 m hat.

12. Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelschüttung eine Gesamtporosität von 40% hat.

13. Hochtemperaturreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Störfallfilter im Kaltgasbereich des Kühlgaskreislaufs angeordnet ist.