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Dokumentenidentifikation DE3335269C2 29.04.1993
Titel Verfahren zur Regelung eines Hochtemperaturreaktors nach einem Störfall
Anmelder Hochtemperatur-Reaktorbau GmbH, 4600 Dortmund, DE
Erfinder Wachholz, Winfried, Ing.(grad.), 6940 Gorxheimer Tal, DE;
Weicht, Ulrich, Dipl.-Ing., 6940 Weinheim, DE
DE-Anmeldedatum 29.09.1983
DE-Aktenzeichen 3335269
Offenlegungstag 18.04.1985
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 29.04.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.04.1993
IPC-Hauptklasse G21C 9/02
IPC-Nebenklasse G21C 7/08   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Hochtemperaturreaktors nach einem Störfall, wobei der Hochtemperaturreaktor einen aus kugelförmigen Brennelementen aufgeschütteten, von einem Reflektor umgebenen Kern, eine Einrichtung zur Wärmeabfuhr und zwei verschiedene Einrichtungen zum Abschalten aufweist und wobei diese Einrichtungen aus in den Kern einfahrbaren Absorberstäben, genannt Kernstäbe, für die Langzeitabschaltung und in Öffnungen des seitlichen Reflektors verfahrbaren Absorberstäben, genannt Reflektorstäbe, für die Schnellabschaltung bestehen.

Allgemein sind Hochtemperaturreaktoren mit kugelförmigen Brennelementen mit einem Abschalt- und Regelsystem ausgerüstet, das aus einer größeren Anzahl von Kernstäben und/oder Reflektorstäben besteht und mit dem alle Betriebs- und Störfälle am Reaktor sicher beherrscht werden. Welche Absorberstabgruppen für die verschiedenen Abschaltfunktionen (Schnellabschaltung, Langzeitabschaltung) zum Einsatz kommen, hängt dabei wesentlich von der Leistungsgröße des betreffenden Hochtemperaturreaktors ab.

So werden bei dem THTR-300-MWel-Prototyp alle Abschaltvorgänge mit den Kernstäben durchgeführt, und die Reflektorstäbe sind für Regelvorgänge vorgesehen. Um den hohen Sicherheitsanforderungen zu genügen, ist noch ein Notabschaltsystem vorhanden, das nur dann eingesetzt wird, wenn die Kernstäbe nicht funktionsfähig sein sollten (beispielsweise durch Einwirkungen von außen wie Flugzeugabsturz). Dieses Notabschaltsystem umfaßt das Einspeisen von neutronenabsorbierendem Gas oder kleinen Absorberkugeln in den Reaktorkern.

Aus der DE-OS 31 41 734 ist ein Hochtemperaturreaktor für einen mittleren Leistungsbereich (300 bis 500 MWel) bekannt, der ebenfalls ein von Kernstäben gebildetes (erstes) Abschaltsystem und ein aus kleinen Absorberkugeln bestehendes Notabschaltsystem (zweites Abschaltsystem) aufweist, wobei auch hier das zweite Abschaltsystem nur bei Ausfall des ersten Systems eingesetzt wird.

Ein weiterer Hochtemperaturreaktor dieses Leistungsbereichs ist in der Patentanmeldung DE-OS 32 12 322 beschrieben. Auch hier sind ein aus Absorberstäben bestehendes erstes Abschaltsystem und ein zweites Abschaltsystem aus kleinen Absorberkugeln vorgesehen, das bei Versagen des ersten Abschaltsystems zum Einsatz kommt. Bei diesem Reaktor umfaßt das erste Abschaltsystem jedoch neben Kernstäben noch eine Anzahl von Reflektorstäben.

Bei Hochtemperaturreaktoren mit kleiner Leistungsgröße (100 bis 200 MWel) sind zur Abschaltung des Kerns nur Reflektorstäbe erforderlich, die somit das erste Abschaltsystem bilden. Ein solcher HT-Kleinreaktor ist in der Patentanmeldung DE-OS 32 12 264 dargestellt. Die Reflektorstäbe, die von unten in Bohrungen des seitlichen Reflektors eingefahren werden, übernehmen die Schnell- und die Langzeitabschaltung. Ein zweites Abschaltsystem, das auch hier aus kleinen Absorberkugeln besteht, tritt nur bei Ausfall des ersten Systems in Tätigkeit und schaltet den Reaktor langfristig ab.

Allen beschriebenen Hochtemperaturreaktoren ist gemeinsam, daß bei Versagen des ersten Abschaltsystems eine Maßnahme in Kraft gesetzt wird, die mit Nachteilen behaftet ist, denn das Einspeisen von Absorbermitteln in den Reaktorkern führt zu längeren Stillstandszeiten, da die Wiederentfernung der Absorbermittel sehr aufwendig ist. Außerdem müssen zu den Absorberstäben noch zusätzliche Absorbermaterialien bereitgestellt werden.

Bei einem aus der DE-OS 24 51 748 bekannten Hochtemperaturreaktor der gattungsgemäßen Art wird auf das Einbringen von Absorbermaterialien in Form eines Gases oder kleiner Kugeln verzichtet. Dieser Reaktor besitzt zwei verschiedene Abschalteinrichtungen, von denen die eine von Kernstäben gebildet wird und die Langzeitabschaltung übernimmt und die andere eine vorbestimmte Anzahl von Reflektorstäben umfaßt, mit denen die Schnellabschaltung durchgeführt wird. Bei Ausfall der Reflektorstäbe erfolgt eine Langzeitabschaltung mit den Kernstäben. Die Abschaltreaktivität der für die Schnellabschaltung bestimmten Reflektorstäbe ist so festgelegt, daß der Reaktor aus allen Störfallsituationen heraus für mindestens 30 Minuten unterkritisch gehalten werden kann. Hierbei ist berücksichtigt, daß der Reaktorkern infolge der Wärmeabfuhr durch die Hauptkühlsysteme oder die Nachwärmeabfuhreinrichtungen mehr oder weniger stark ausgekühlt wird (im Extremfall bis auf die Kaltgastemperatur); d. h. im Hinblick auf den negativen Temperaturkoeffizienten der Hochtemperaturreaktoren ergibt sich insgesamt ein sehr hoher Bedarf an Abschaltreaktivität. Zudem ist das Wiederaufheizen des Kerns nach seinem Herunterkühlen mit einem erheblichen Zeitverlust beim Wiederanfahren des Kerns auf die volle Leistung verbunden, und die Kerneinbauten sind durch den Temperaturwechsel hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Auch ist das hier vorgeschlagene Abschaltkonzept nur bei Hochtemperaturreaktoren mit einem Leistungsbereich bis zu 300 MWel verwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung eines Hochtemperaturreaktors der eingangs genannten Art nach dem Auftreten eines Störfalles anzugeben, das eine Schnellabschaltung allein mit den Reflektorstäben erlaubt und eine starke Kernauskühlung nach erfolgter Schnellabschaltung vermeidet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe beim Verfahren des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, daß der Kernreaktor durch Einfahren der Reflektorstäbe in einen unterkritischen Zustand gebracht wird, daß der Kernreaktor auf eine vorgebbare Temperatur abgekühlt und dadurch auf seinen kritischen Zustand gebracht und gehalten wird, und daß der Kernreaktor anschließend durch Ausfahren der Reflektorstäbe entweder weiter betrieben oder durch Einfahren der Kernstäbe abgeschaltet wird.

Der Hochtemperaturreaktor gemäß der Erfindung kann also allein mit den Reflektorstäben in einen sicheren Anlagenzustand überführt werden, selbst wenn ein Reaktivitätsstörfall (Reaktivitätszufuhr durch Wassereinbruch) vorliegt. Durch die sich an die Schnellabschaltung anschließende Nachwärmeabfuhr über die Hauptkühlsysteme oder die Nachwärmeabfuhreinrichtungen sinkt die Kerntemperatur auf einen vorbestimmten Wert, wobei durch die Temperatur-Rückkopplung (negativer Temperaturkoeffizient) erneut Reaktivität freigesetzt und der Reaktor auf diesem erniedrigten Temperaturniveau (ca. 500°C) wieder kritisch wird. Dabei kommt es zu einer längeren Stabilisierung des Reaktors auf einem niedrigeren Leistungsniveau, dessen Höhe von der aus dem Kern abgeführten Wärme bestimmt wird. Nach einer Schnellabschaltung kann der Reaktorkern, nachdem er auf einem niedrigeren Temperatur- und Leistungsniveau wieder kritisch geworden ist, entweder, nach nach behobener Störung, wieder auf volle Leistung gefahren werden, oder es wird - falls die Ursache für die Schnellabschaltung nicht rechtzeitig beseitigt werden konnte - eine Langzeitabschaltung mit Hilfe der Kernstäbe durchgeführt. Hierfür werden die Kernstäbe auf volle Tiefe eingefahren. Der Einsatz der Kernstäbe wird erst nach ca. 10 Stunden erforderlich, so daß der für Gegenmaßnahmen zur Verfügung stehende Zeitraum relativ groß ist. Dieser Reaktorzustand und die aus ihm resultierende Temperaturbelastung der entsprechend auszulegenden Nachwärmeabfuhreinrichtungen sind für einen beliebigen Zeitraum zulässig, da die vorgegebenen Grenzwerte nicht überschritten werden und eine Gefährdung der Umgebung somit ausgeschlossen ist.

Das vorgeschlagene Abschaltkonzept ist durchführbar aufgrund der systemimmanenten Eigenschaften eines Hochtemperaturreaktors, dessen Kern eine hohe Wärmekapazität und Temperaturbeständigkeit aufweist und ein träges Temperatur-Zeit-Verhalten zeigt (langsame Temperaturänderungen bei Störung von Wärmeproduktion/Wärmeabfuhr).

Von Vorteil ist bei dem vorgeschlagenen Hochtemperaturreaktor, daß gegenüber dem Stand der Technik eine geringere Anzahl von Reflektorstäben ausreicht, um die Anforderungen an die Schnellabschaltung zu erfüllen, so daß insgesamt Anlagenkosten gespart werden. Darüber hinaus wird durch das Warmhalten des Kerns und der Dampferzeuger eine schnelle Wiederinbetriebnahme des Reaktors (Heißstart) nach Beseitigung der Störfallursache ermöglicht. Weiterhin von Vorteil ist, daß die Temperaturbelastung der Kerneinbauten und Kreislaufkomponenten infolge rasch wechselnder Temperaturen erheblich herabgesetzt ist.

Anhand eines Beispiels wird die Erfindung nachstehend erläutert. Betrachtet wird ein Hochtemperaturreaktor mit einer Leistung von 500 MWel, der mit kugelförmigen Brennelementen im Einmaldurchlauf betrieben wird, so daß sich eine axiale Neutronenflußdichteverteilung einstellt, die im oberen Kerndrittel ein Maximum hat, und danach etwa exponentiell abfällt. Der Kernreaktor besitzt zwei verschiedene Abschalteinrichtungen:

Kernstäbe für die Langzeitabschaltung und Reflektorstäbe für die Schnellabschaltung. Die im Kern erzeugte Wärme wird durch mehrere Hauptkühlsysteme abgeführt. Bei einem Störfall mit Ausfall der Hauptkühlsysteme wird die Nachwärme durch mehrere Hilfskühlsysteme abgeführt.

Die Gesamtabschaltreaktivität der Reflektorstäbe ist so bemessen, daß der Reaktor bei allen Störfällen und aus allen Betriebszuständen heraus unterkritisch gemacht und bis zur Erreichung eines deutlich unterhalb der Normalbetriebswerte liegenden Temperaturniveaus im unterkritischen Zustand gehalten werden kann.

Die Reaktivitätsabschätzungen für einen Hochtemperaturreaktor mit 500 MWel Leistung ergeben für die einzelnen Anlagenzustände folgende Wirksamkeit aller Reflektorstäbe (abzüglich Ausfall des wirksamsten Stabes):

Normalbetrieb (100% Vollast) 2,6% ΔK/K Kaltstart 2,1% ΔK/K Lastwechsel 2,3-3,1% ΔK/K


Die maximale Störfallreaktivität (Wassereinbruch) beträgt ca. 1,1% ΔK/K, so daß - je nach Ausgangssituation - durch Einfallen der Reflektorstäbe nach einem Reaktivitätsstörfall eine Unterkritikalität von 1,0 bis 2,0% ΔK/K erzielt wird. Ohne diesen Störfall werden rund 2 bis 3% ΔK/K Unterkritikalität erreicht; in solchen Fällen (betriebliche Abschaltungen, Störfälle ohne Reaktivitätszuwachs) kann also eine Reduzierung der für die Schnellabschaltung eingesetzten Stabanzahl vorgenommen werden. Daher sieht das vorgeschlagene Abschaltverfahren vor, daß nur bei Reaktivitätsstörfällen alle Reflektorstäbe eingefahren werden.

Nach erfolgter Schnellabschaltung und Abfuhr der Nachwärme mit den Haupt- oder den Hilfskühlsystemen wird der Reaktor - je nach eingebrachter Abschaltreaktivität und vorangegangenem Betriebszustand - auf abgesenktem Temperaturniveau und bei geringer Leistung wieder kritisch. Dieser Zustand ist für die Anlage für einen beliebigen Zeitraum zulässig. Durch den einsetzenden Jod-Zerfall und den damit verbundenen Xenon-Aufbau oder durch Einfahren von Kernstäben wird der Reaktor langfristig kaltunterkritisch gefahren, wenn die Voraussetzungen für eine schnelle Wiederinbetriebnahme nicht gegeben sind.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Regelung eines Hochtemperaturreaktors nach einem Störfall, wobei der Hochtemperaturreaktor einen aus kugelförmigen Brennelementen aufgeschütteten, von einem Reflektor umgebenen Kern, eine Einrichtung zur Wärmeabfuhr und zwei verschiedene Einrichtungen zum Abschalten aufweist und wobei diese Einrichtungen aus in den Kern einfahrbaren Absorberstäben, genannt Kernstäbe, für die Langzeitabschaltung und in Öffnungen des seitlichen Reflektors verfahrbaren Absorberstäben, genannt Reflektorstäbe, für die Schnellabschaltung bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernreaktor durch Einfahren der Reflektorstäbe in einen unterkritischen Zustand gebracht wird, daß der Kernreaktor auf eine vorgebbare Temperatur abgekühlt und dadurch auf seinen kritischen Zustand gebracht und gehalten wird, und daß der Kernreaktor anschließend durch Ausfahren der Reflektorstäbe entweder weiter betrieben oder durch Einfahren der Kernstäbe abgeschaltet wird.






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