DE3030510C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mit kugelförmigen Brennele­ menten beschickten gasgekühlten Hochtemperaturreaktor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Hochtemperaturreaktor ist aus der Projektinformation 4 vom März 1973 zum 300-MW-THTR-Kernkraftwerk bekannt.

Solche Kernreaktoren weisen in ihrem unteren Teil sehr hohe Gastemperaturen auf, die nur hochwarmfestes Materi­ al für den Bodenreflektor, die Bodenlagen und den inner­ halb des Kernaufbaus befindlichen Teil der Kugelabzugs­ einrichtung zulassen. Diese Bauteile sind daher aus ke­ ramischem Material, wie Graphit, gefertigt, das jedoch keinen großen Zug- und Biegebeanspruchungen standhält. Die Kräfte des Reaktorkerns werden daher auf einen ther­ mischen Schild übertragen, der aus Metall, vorzugsweise Gußmaterial, hergestellt ist und den gesamten Reflektor umschließt. Bei der Abzugseinrichtung für die kugelför­ migen Brennelemente wird nur der Teil der Abzugsrohre, der sich innerhalb des von dem thermischen Schild um­ schlossenen Raumes befindet, aus keramischem Werkstoff gefertigt. Die weiterführenden Kugelabzugsrohre, die die keramischen Abzugsrohre mit einem Schrottabscheider ver­ binden, bestehen aus Gründen einer höheren Festigkeit aus Metall.

Es hat sich nun gezeigt, daß auch die metallischen Ku­ gelabzugsrohre in ihrem an die keramischen Abzugsrohre anschließenden Bereich noch einer hohen Temperaturbela­ stung ausgesetzt sind. Dieser resultiert daraus, daß die vor den keramischen Abzugsrohren anstehenden und in die­ sen 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 kerami­ schen Kugelabzugsrohren unterbunden bzw. begrenz wird.

Es gehört zum Stand der Technik (DE-OS 23 47 817 bzw. US-PS 41 10 158), bei einem Kernreaktor mit kugelförmigen Brennelementen und einmaligem Durchgang der Brennelemente durch den Reak­ torkern in dem Deckenreflektor und/oder dem oberen Teil des Seitenreflektors neutronenabsorbierende Stoffe, z. B. solche in Form von Borstäben, vor- zusehen, um in den dosisgefährdeten Bereichen des Ref­ lektors den schnellen Neutronenfluß herabzusetzen und damit eine Schädigung des Reflektorgraphits zu verhin­ dern.

Bekannt ist auch ein Verfahren zum Betreiben eines Hoch­ temperaturreaktors der eben beschriebenen Bauart (DE-OS 22 41 873), mit dem die Leistungsverteilung in dem Reak­ torkern 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, un­ ter anderem auch die Zugabe abbrennbarer Gifte mit der Beschickungscharge, durch die die Leistungserzeugung in die tieferen Bereiche des Reaktorkerns verlagert werden. Die abbrennbaren Gifte können auch im Decken-, Boden­ und/oder seitlichen Reflektor vorgesehen sein.

Weiterhin ist es aus der US-PS 40 30 974 bekannt, bei einem Kernreaktor mit kugelförmigen Brennelementen und direkt in die Brennelementschüttung einfahrbaren Absor­ berstäben durch eine besondere Maßnahme die Abschalt­ wirksamkeit der Absorberstäbe zu verbessern, ohne daß die Zahl der Absorberstäbe erhöht oder ihre Eindringtie­ fe vergrößert zu werden braucht. Diese Maßnahme besteht darin, den Graphit des Bodenreflektors sowie des unteren Teils des Seitenreflektors mit neutronenabsorbierenden Stoffen zu dotieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gasge­ kühlten Hochtemperaturreaktor der eingangs beschriebenen Bauart so auszugestalten, daß die Temperatur von dem Kernboden bis zu den metallischen Kugelabzugsrohren hin­ reichend abgesenkt wird, so daß die thermische Bela­ stung der letztgenannten Abzugsrohre in zulässigen Gren­ zen bleibt.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Durch die unmittelbare Umfassung des Kugelabzugsrohres mit Graphitsäulen auch im Bereich des Heißgassammelrau­ mes, lassen sich die Borstäbe bis in den Heißgassammel­ raum einführen, so daß ein unmittelbarer Übergang zu den im Bereich der Bodenlagen vorgesehenen Borplatten er­ folgt. Die Borkörper vermindern den Neutronenfluß in den Bereichen Bodenreflektor, Heißgassammelraum und Bodenla­ ge so stark, daß keine Leistung mehr von den Brennele­ menten erbracht werden kann.

Die Länge der Borstäbe ist in vorteilhafter Weise so fest­ gelegt, daß die Graphitsäulen nahezu gänzlich von den Borstäben durchdrungen sind.

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

Die gewählte Form der Borkörper und die Art ihrer Unter­ bringung bewirken, daß die Temperatur in Richtung auf die metallischen Kugelabzugsrohre allmählich abgesenkt wird, so daß in den konstruktiven Bauteilen des Hochtemperatur­ reaktors keine bzw. nur geringe Wärmespannungen entstehen. Überdies lassen sich die Borstäbe und Bor­ platten gut in die entsprechenden Graphitbauteile (Graphit­ säulen bzw. Bodenlagen) einbauen. Die Realisierung der Er­ findung erfordert daher keinen großen Aufwand.

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

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den gesamten Hochtempe­ raturreaktor,

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 Kugel­ abzugsrohr sowie zwei Querschnitte nach den Li­ nien A-A und B-B der Fig. 2.

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

Der Kern des Hochtemperaturreaktors 3 wird von einer Schüt­ tung 4 kugelförmiger Brennelemente 5 gebildet, die durch eine Kugelabzugseinrichtung 6 aus der Schüttung 4 abgezo­ gen 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 Tragbo­ den dienenden Bodenreflektor 8 und einem zylindrischen Sei­ tenreflektor 9 besteht. In dem Deckenreflektor 7 sind Durch­ dringungen 10 für (nicht gezeigte) Absorberstäbe vorgesehen, die unmittelbar in die Schüttung 4 einfahrbar sind. Der Bo­ denreflektor 8, der aus nebeneinander angeordneten Graphit­ säulen zusammengefügt ist (aus der Fig. 2 zu ersehen), ruht auf Rundsäulen 14, die sich auf den Bodenlagen 11 des Hoch­ temperaturreaktors 3 abstützen. An die Bodenlagen 11 schließt sich nach unten ein thermischer Bodenschild 12 als Bodenplat­ te an.

Der zwischen den Rundsäulen 14 befindliche freie Raum bildet den Reißgassammelraum 13 des Hochtemperaturreaktors 3, an den radial mehrere Heißgasführungen 15 angeschlossen sind. Diese stehen mit den Dampferzeugern in Verbindung. Nach sei­ ner 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 Sei­ tenreflektor 9 an dem thermischen Seitenschild 17 abstützt (nicht dargestellt). Der Ringraum 18 ist strömungsmäßig mit einem Kaltgassammelraum 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 11 jeweils ein metallisches Kugelabzugsrohr 22 anschließt. Je­ des keramische Kugelabzugsrohr 21 ist von einer aus Körpern 28 und 29 bestehenden Borabschir­ mung 23 umgeben, wie in den Fig. 2 und 3 näher erläutert ist.

Die Fig. 2 und 3 zeigen eines der keramischen Kugelab­ zugsrohre 21 mit seiner näheren Umgebung. Der Bodenreflek­ tor 8 besteht aus Graphitsäulen 8a und 8b, die ihrerseits aus einzelnen Graphitblöcken zusammengefügt sind. Die ober­ sten dieser Graphitblöcke weisen eine Vielzahl von Kühlgas­ bohrungen 24 auf, die mit Sammelräumen 25 in den anschließen­ den Graphitblöcken in Verbindung stehen. Über größere Boh­ rungen 26 ist jeder Sammelraum 25 an den Heißgassammelraum 13 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 Boden­ lagen 11 abstützen. Die Bodenlagen 11 sind aus Graphit­ blöcken 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 Viel­ zahl 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 auf zwei konzentrischen Kreisen a und b Bohrungen vorgesehen, die je­ weils auf einem Kreis mit der Mittelachse des Kugelabzugs­ rohres 21 als Mittelpunkt angeordnet sind. Die Bohrungen der beiden Kreise 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 ummittelbar außen um das keramische Kugelabzugsrohr 21 angeordnet und so gestaltet, daß sie das Kugelabzugsrohr 21 in Umfangsrichtung 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.

Claims (4)

1. 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 Zugabeein­ richtung und einer Abzugseinrichtung für die kugelförmigen Brennelemente, wobei die Abzugseinrichtung aus mindestens einem den Bodenreflektor und die Bodenlagen durchdringen­ den keramischen Kugelabzugsrohr und jeweils einem sich unterhalb der Bodenlagen an das keramische Kugelabzugsrohr anschließenden metallischen Kugelabzugsrohr besteht und wobei jedes keramische Kugelabzugsrohr unmittelbar von einem Kranz von Graphitsäulen umgeben ist, der sich durch den Heißgassammelraum erstreckt und auf den Bodenlagen abstützt, dadurch gekennzeichnet, daß jede Graphitsäule (8a) des Kranzes eine Vielzahl von vertikalen Bohrungen aufweist, in denen neutronenabsorbierendes Material in Form von Borstäben (28) an­ geordnet ist, und daß im Bereich der Bodenlagen (11) das keramische Kugelabzugsrohr (21) unmittelbar von massiven Borplatten (29) umgeben ist, die es in Umfangsrichtung vollständig und in axialer Richtung nahe­ zu vollständig umhüllen.

2. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Länge der Borstäbe (28) gleich oder wenigstens annähernd gleich der Länge der jedes keramische Kugelabzugsrohr (21) umgebenden Graphit­ säulen (8a) ist.

3. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Borstäbe (28) auf minde­ stens zwei konzentrischen Kreisen (a, b) um jedes keramische Kugelab­ zugsrohr (21) angeordnet sind.

4. Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Borstäbe (28) eines Kreises (a bzw. b) gegenüber den Borstäben (28) der benachbarten Kreise auf Lücke stehen.