DE3921670A1 - Einrichtung zum abschirmen thermischer neutronen bei einem gasgekuehlten hochtemperaturreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Abschirmen thermi­ scher Neutronen bei einem gasgekühlten Hochtemperaturreaktor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Einrichtung ist in der DE-PS 25 06 293 beschrie­ ben. Die bekannte Einrichtung, mit der bezweckt wird, eine di­ rekte Neutroneneinstrahlung aus dem Heißgassammelraum in die Heißgaskanäle und damit eine Aktivierung der metallischen Ein­ bauten der Heißgaskanäle zu verhindern, besteht aus einer in Höhe der Heißgaskanäle in dem Heißgassammelraum angeordneten Ringmauer aus Graphit, die den Querschnitt der Heißgaskanäle abdeckt. Zwischen den Kanalanschlüssen und der Ringmauer be­ findet sich ein Ringraum für die Kühlgasströmung, in den das Kühlgas durch in der Ringmauer vorgesehene Schlitze gelangt. Die Schlitze sind zu den Kanalanschlüssen versetzt angeordnet. In der Ringmauer können auch Stäbe aus Abschirmmaterial (B₄C) vorgesehen sein.

Die Heißgaskanäle sind entweder Teil der Hauptkreisläufe und führen dann jeweils zu einem Dampferzeuger oder anderen Wärme­ tauscher, oder sie gehören zu den Hilfskreisläufen und sind in diesem Fall jeweils mit einem Nachwärmetauscher verbunden. Wegen der hohen Temperatur des zu transportierenden Gases müs­ sen alle Heißgaskanäle mit einer thermischen Isolierung verse­ hen sein, für deren Abdeckung und weitere metallische Bauteile der Heißgaskanäle hochtemperaturfeste Werkstoffe erforderlich sind. Hierfür kommen in erster Linie nickelhaltige Werkstoffe in Betracht, da Cobalt als Legierungsbestandteil im Hinblick auf eine Endbeseitigung nicht zulässig ist.

Wie sich in neueren Werkstoffuntersuchungen herausstellte, werden nickelhaltige Legierungen bei Temperaturen < 600°C durch thermische Neutronen in ihrer Bruchdehnung und Zeitstand­ festigkeit beeinträchtigt. Um diese Werkstoffschädigungen in zulässigen Grenzen zu halten, ist es erforderlich, den Fluß der durch die Seitenreflektor-Durchbrüche austretenden thermischen Neutronen so weit herabzusetzen, daß eine Schädigung der Heiß­ gaskanalisolierung mit Sicherheit auszuschließen ist. Dies läßt sich mit Hilfe einer Abschirmung erreichen, beispielsweise mit der in der DE-PS 25 06 293 beschriebenen Ringmauer.

Zum Stand der Technik wird noch die DE-OS 14 64 705 genannt, die eine gegen Strahlung abgeschirmte Rohrleitung betrifft. Die Rohrleitung, die aus einem Kernreaktorbehälter herausgeführt wird, weist im Bereich der Durchführung eine Erweiterung auf, in welcher ein Abschirmblock angeordnet ist. Der Abschirmblock deckt den Leitungsquerschnitt ab, und die Gas- oder Flüssig­ keitsströmung wird um den Abschirmblock herumgeführt. Bei die­ ser Art der Abschirmung muß der Leitungsquerschnitt im Bereich der Durchführung vergrößert sein.

Ferner ist es aus der DE-OS 29 33 899 bekannt, in einem als koaxiale Gasführung ausgebildeten Gaskanal eine Abschirmung vorzusehen. Diese besteht aus einem zentrisch in den Gaskanal eingebauten rotationssymmetrischen Verdrängungskörper und einem diesen umgebenden Abschirmungsring, dessen Innenfläche der Kon­ tur des Verdrängungskörpers angepaßt ist. Dabei ist hinreichend Abstand gelassen für die Bildung eines ringartigen Strömungs­ weges, auf dem das Gas umgelenkt wird.

Ausgehend von der DE-PS 25 06 293, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Abschirmen thermischer Neutronen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaf­ fen, deren Abschirmungswirkung gegenüber dem Stand der Technik verbessert und die zudem einfacher und kostengünstiger herzu­ stellen ist. Außerdem sollen die Druckverluste des Heißgases wesentlich reduziert sein.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sich in kostengün­ stiger Weise bei der Konstruktion metallischer Komponenten in dem Heißgasbereich nickelhaltige Werkstoffe mit den bekannten günstigen Eigenschaften einsetzen lassen, die sie - da eine Schädigung durch thermische Neutronen ausgeschlossen ist - über die gesamte Einsatzzeit behalten. Müßte auf die Verwendung nickelhaltiger Werkstoffe im Hochtemperaturbereich verzichtet werden, so wären umfangreiche Untersuchungen an anderen, neuen Werkstoffen unerläßlich.

Als neutronenabsorbierendes Material kommt vor allem Bor in Betracht, zweckmäßigerweise als Borkarbid. Das Borkarbid kann z. B. in Form von Stäben in Bohrungen der Graphitkörper und der Seitensteine des Seitenreflektors eingesetzt sein. Es kann auch in Form von in dem Graphit eingebetteten beschichteten Teilchen vorliegen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der im Patentanspruch 1 gekenn­ zeichneten Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der folgen­ den Beschreibung eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen zu entnehmen. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 den unteren Teil eines gasgekühlten Hochtemperatur­ reaktors mit einem Heißgaskanal im Längsschnitt nach der Linie I-I der Fig. 2,

Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-II der Fig. 1.

Die Fig. 1 läßt einen Teil eines Spannbetondruckbehälters 1 erkennen, in dem in einer zentralen Kaverne ein gasgekühlter Hochtemperaturreaktor 2 mit kugelförmigen Brennelementen unter­ gebracht ist. Die Schüttung der Brennelemente, die von oben nach unten von einem Kühlgas (Helium) durchströmt wird, ruht auf einer Tragkonstruktion 3 aus Graphitblöcken 4, die zugleich den Bodenreflektor bildet. Unterhalb der Tragkonstruktion 3 befindet sich ein Heißgassammelraum, in welchem eine Vielzahl von Säulen 6 angeordnet ist und der deshalb als Säulenhalle 5 bezeichnet wird. Über die Säulen 6 stützt sich die Tragkon­ struktion 3 auf einer Bodenlage 7 ab, die wiederum auf einem thermischen Bodenschild 8 ruht. Dieser ist über Rollenlager 9 auf dem Boden des Spannbetondruckbehälters 1 abgestützt.

Seitlich wird die Kugelschüttung von einem Seitenreflektor 10 begrenzt, der ebenfalls aus Graphitblöcken 11 zusammengefügt ist. Er umschließt auch die Säulenhalle 5 und ist seinerseits - unter Bildung eines Ringraumes 13 - von einem thermischen Sei­ tenschild 12 umgeben. In der Reaktorkaverne sind - auf einem Teilkreis um den Hochtemperaturreaktor 2 - mehrere Dampferzeu­ ger und Nachwärmetauscher installiert, von denen jeder durch einen Heißgaskanal mit der Säulenhalle 5 verbunden ist, wobei der Heißgaskanal jeweils an einen Durchbruch in dem Seitenre­ flektor 10 angeschlossen ist. In der Fig. 1 sind nur der Dampf­ erzeuger 14 sowie der zugehörige Heißgaskanal 15 und Durchbruch 18 dargestellt.

Der Heißgaskanal 15 ist um 90° abgewinkelt und weist an der Umlenkstelle zur Vergleichmäßigung der Heißgasströmung eine schräg eingebaute Lochplatte 16 auf. Er stützt sich auf einer Gußabschirmung 16 ab und ist innen mit einer thermischen Isolierung 17 versehen. Um die thermische Isolierung 17 vor einer Bestrahlung mit thermischen Neutronen zu schützen, weist der Hochtemperaturreaktor 2 eine Einrichtung zum Abschirmen dieser Neutronen auf, die in der Fig. 2 genauer dargestellt ist.

Die Einrichtung umfaßt eine Anzahl strömungsgünstig gestalteter Graphitkörper, die Material mit einem hohen Einfangquerschnitt für thermische Neutronen enthalten, z. B. Borkarbid. In dem ge­ zeigten Beispiel ist das Borkarbid in Form von beschichteten Teilchen in den Graphitkörpern eingelagert.

Die Fig. 2 läßt den Durchbruch 18 in dem Seitenreflektor 10 für den Anschluß des zu dem Dampferzeuger 14 führenden Heißgaska­ nals 15 erkennen; ferner ist hier ein Durchbruch 19 darge­ stellt, der einen Heißgaskanal mit einem Nachwärmetauscher ver­ bindet. Die Graphitkörper zur Abschirmung des Durchbruchs 18 und des Durchbruchs 19 sind unterschiedlich gestaltet. Gemein­ sam ist ihnen jedoch, daß ihre Höhe mindestens gleich der Höhe des Durchbruchs 18 bzw. 19 ist und daß sie allein oder in Kom­ bination den Querschnitt des jeweiligen Durchbruchs vollständig abdecken. Die Graphitblöcke des Seitenreflektors 10, von denen die Durchbrüche 18, 19 unmittelbar begrenzt sind (im folgenden Seitensteine 20 bzw. 21 genannt), enthalten ebenfalls Material mit hohem Einfangquerschnitt für thermische Neutronen.

Die Abschirmung des Durchbruchs 18 erfolgt mit Hilfe von zwei Graphitkörpern, und zwar von einem länglich geformten Gra­ phitkörper 22, der in der Säulenhalle 5 angeordnet ist, und einem zweiten länglichen Graphitkörper 23, welcher sich inner­ halb des Durchbruchs 18 befindet und sich in radialer Richtung erstreckt. Die Seitensteine 20, die den Durchbruch 18 begrenzen und jeweils aus mehreren Graphitblöcken bestehen, weisen eine strömungsgünstige Form auf.

Für den Durchbruch 19 sind drei Graphitkörper vorgesehen, von denen die beiden Graphitkörper 24 einen kreisrunden Querschnitt haben und in der Säulenhalle 5 angeordnet sind, während der dritte Graphitkörper 25 in den Durchbruch 19 hineinragt und in Bezug auf die beiden Graphitkörper 24 auf Lücke steht. Um die Strömungsverluste gering zu halten, hat der Graphitkörper 25 einen eiförmigen Querschnitt. Die Seitensteine 21 weisen keine besondere Formgebung auf; d. h. der Durchbruch 19 verläuft gera­ de.

Claims (6)

1. Einrichtung zum Abschirmen thermischer Neutronen bei einem gasgekühlten Hochtemperaturreaktor (2), der

• a) von oben nach unten von einem Kühlgas durchströmt wird,
• b) auf einer Tragkonstruktion (3) aus Graphitblöcken (4) ruht und
• c) unterhalb der Tragkonstruktion (3) eine als Heißgassammelraum dienende Säulenhalle (5) aufweist, die
  • c1) von einem ebenfalls aus Graphitblöcken (11) bestehen­ den Seitenreflektor (10) begrenzt wird, in dem
  • c2) mehrere Durchbrüche (18, 19) für den Anschluß von zu Dampferzeugern (14) und Nachwärmetauschern führenden Heißgaskanälen (15) vorgesehen sind, welche durch die Einrichtung gegen direkte Neutroneneinstrahlung ge­ schutzt sind,

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• d) die Einrichtung besteht aus strömungsgünstig geform­ ten Graphitkörpern (22, 23, 24, 25), die
  • d1) z. T. in der Säulenhalle (5) vor den Durchbrüchen (18, 19), z. T. innerhalb der Durchbrüche (18, 19) angeord­ net sind, wobei
  • d2) deren Höhe mindestens gleich der Höhe des jeweiligen Durchbruchs (18 bzw. 19) beträgt, und die
  • d3) Material mit einem hohen Einfangquerschnitt für ther­ mische Neutronen enthalten;
• e) die die Durchbrüche (18, 19) unmittelbar begrenzenden Graphitblöcke (20, 21) des Seitenreflektors (10) (Seitensteine) enthalten ebenfalls Material mit einem hohen Einfangquerschnitt für thermische Neutronen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (18) für die zu den Dampferzeugern (14) führenden Heißgaskanäle (15) je durch einen in der Säulen­ halle (5) angeordneten, länglichen Graphitkörper (22) in ihrem Querschnitt vollständig abgedeckt sind und innerhalb jedes dieser Durchbrüche (18) ein weiterer länglicher, sich jedoch in radialer Richtung erstreckender Graphit­ körper (23) vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (19) für die zu den Nachwärmetauschern führenden Heißgaskanäle (15) jeweils durch die Kombination zweier in der Säulenhalle (5) angeordneter Graphitkörper (24) kreisrunden Querschnitts mit einem auf Lücke zwischen ihnen stehenden dritten Graphitkörper (25) eiförmigen Querschnitts in ihrem Querschnitt vollständig abgedeckt sind, wobei der dritte Graphitkörper (25) sich z. T. in dem jeweiligen Durchbruch (19) befindet.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Durchbrüche (18) begrenzenden Seitensteine (20) strömungsgünstig geformt sind.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Material mit hohem Einfang­ querschnitt für thermische Neutronen in Form von in dem Graphit eingebetteten beschichteten Teilchen vorliegt.