DE3530433A1

DE3530433A1 - Liquid-cooled nuclear reactor having a nuclear-element decay store cooled in the natural circulation

Info

Publication number: DE3530433A1
Application number: DE19853530433
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl Phys Dr Dueweke; Heinz-Wilhelm Dipl Ing Hammers
Original assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Current assignee: Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Priority date: 1985-08-26
Filing date: 1985-08-26
Publication date: 1987-02-26

Abstract

For liquid-cooled nuclear reactors having a tank-internal decay store for spent core elements (46), especially for liquid-metal-cooled breeder reactors, it is proposed to cool the decay store not only during emergency operation but also in normal operation just by natural-convection flow. For this purpose, the spent fuel elements are accommodated such that they are screened from the reactor core so that no significant power is released into them exceeding the afterheat. In addition to the known separating wall (7) which splits the reactor tank (1) into a hot header (31) and a cold header (32), there is a further separating wall (8) so that an intermediate space (9) is formed. Temperature conditions occur in this intermediate space which promote the coolant circulation through the fuel elements (46). <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kernreaktor nach dem Oberbegriff des 1. Anspruchs, insbesondere einen mit Flüssigmetall gekühlten Brutreaktor. Ein derartiger Reaktor ist zum Beispiel aus der EP-A-O 106 753 bekannt. Die in dem innerhalb des Reaktortanks angeordneten Ab klinglager gelagerten abgebrannten Kernelemente (Brenn- und Brutelemente) entwickeln Nachzerfallwärme und müssen daher jederzeit ausreichend gekühlt werden. Hinzu kommt während des normalen Betriebes eine weitere Wärmeent wicklung aus den Kernreaktionen, die durch Einfang von aus dem Reaktorkern stammenden Neutronen hervorgerufen wird; immerhin wird dieser Neutroneneinfang dadurch herabgesetzt, daß das Abklinglager durch Abschirmelemente vom Reaktor kern getrennt ist, so daß das Verhältnis zwischen der ge samten Wärmeerzeugung bei Normalbetrieb und der eigent lichen Nachzerfallswärme bei abgeschaltetem Reaktor ge ringer ist als dasjenige bei Brennelementen, die noch im eigentlichen Reaktorkern im Einsatz stehen. Bei normalem Reaktorbetrieb werden in den bislang bekannten Kernreak toren der beschriebenen Art die abklingenden Kernelemente durch einen aus dem Hauptkühlmittelkreislauf vor dem Kern eintritt abgezweigten Teilstrom gekühlt.The present invention relates to a nuclear reactor according to the preamble of claim 1, in particular one incubator cooled with liquid metal. Such one Reactor is known for example from EP-A-O 106 753. The Ab. Arranged inside the reactor tank burned core elements (burn- and brood elements) develop post-decay heat and must therefore be adequately cooled at all times. Come in addition another heat during normal operation winding out of the nuclear reactions by catching out neutrons originating from the reactor core; after all, this neutron capture is reduced by that the decay camp by shielding elements from the reactor core is separated, so that the relationship between the ge entire heat generation during normal operation and the actual after heat with the reactor switched off is ringer than that for fuel elements that are still in the actual reactor core are in use. With normal Reactor operations are in the previously known Kernreak gates of the type described the fading core elements through one from the main coolant circuit in front of the core inlet branch stream cooled.

Um eine unerwünschte Überkühlung zu vermeiden, die zum Beispiel zum Auftreten von kalten Strähnen im Kühlmittel führen kann, werden in den Ausströmkanälen zu den ab klingenden Kernelementen Drosseln vorgesehen, mit denen der Kühlmitteldurchsatz durch diese Elemente soweit herabgesetzt wird, daß das Kühlmittel um eine ähnliche Spanne erhitzt wird wie im Reaktorkern. In (noch) nicht besetzte Positionen des Abklinglagers werden (z. B. bei erstmaliger Inbetriebnahme des Reaktors) Blindelemente eingesetzt, die die gleichen hydraulichen Eigenschaften wie echte Kernelemente aufweisen. Die Pumpen müssen den Kühlmittelstrom durch das Abklinglager, das parallel zum Kern geschaltet ist, zusätzlich aufbringen, was die Wirt schaftlichkeit der Anlage beeinträchtigt. Um denkbaren Störfällen begegnen zu können, bei denen ein Ausfall der Kühlmittelpumpen unterstellt wird, soll das Abkling lager so gestaltet sein, daß in ihm durch die Nachzer fallswärme der Kernelemente selbst eine Naturkonvektion- Strömung in Gang kommt, die für die weitere Kühlung der Elemente sorgt. Das Ingangkommen dieser Naturkonvektions Strömung wird aber gerade durch die oben genannten Drosseln behindert und verzögert, so daß die Elemente vorübergehend eine höhere Temperatur erreichen.In order to avoid unwanted overcooling, which leads to Example of the appearance of cold streaks in the coolant can lead to in the outflow channels sounding core elements provided chokes with which the coolant throughput through these elements so far is reduced that the coolant to a similar Span is heated as in the reactor core. Not (yet) Positions in the decay camp are filled (e.g. at initial start-up of the reactor) dummy elements used the same hydraulic properties like real core elements. The pumps have to Coolant flow through the decay bearing, which runs parallel to the Core is switched, additionally apply what the host economics of the system impaired. To conceivable To be able to face accidents where there is a failure the coolant pumps are assumed to decay camp be designed so that in it by the Nachzer case heat of the core elements themselves a natural convection Flow gets going, which is used for further cooling of the Elements. The start of this natural convection Current is just through the above Chokes hindered and delayed, so the elements temporarily reach a higher temperature.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Kernreaktor, bei dem das zur Kühlung der abklingenden Kernelemente benötigte Kühlmittel sowohl während des Normalbetriebes, als auch bei Nachwärmeabfuhr nur durch eine Naturkonvek tions-Strömung umgewälzt wird, wobei letzteres in ihrer Stärke entsprechend der bei beiden Betriebszuständen unterschieldlichen Wärmeentwicklung der Elemente ver schieden stark sein kann. Dadurch wird an Pumpenleistung für die Umwälzung des Kühlmittels gespart, da mit dieser Strömung nur noch der Reaktorkern selbst gekühlt werden muß und der unwirtschaftliche Parallelstrom über die ab klingenden Kernelemente entfällt. Die zur Kühlung der letzteren dienende Naturkonvektions-Strömung ist bei allen Betriebs- und Störfallzuständen gleichgerichtet, wodurch zeitweise ungünstige Kühlverhältnisse in den Kernelementen vermieden werden. The object of the present invention is a nuclear reactor, which is used to cool the decaying core elements required coolant both during normal operation, as well as with heat removal only through a natural convector tion flow is circulated, the latter in their Strength corresponding to that in both operating states different heat development of the elements ver can be strong. This will increase pump performance saved for the circulation of the coolant, because with this Flow only the reactor core itself is cooled must and the uneconomical parallel flow over the sounding core elements are omitted. The for cooling the natural convection flow serving the latter is common to all Operating and fault conditions rectified, whereby temporarily unfavorable cooling conditions in the core elements be avoided.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im kennzeichnenden Teil des 1. Anspruchs angegebenen Mittel, wobei durch die Anordnung des Abklinglagers in der äußeren Randzone der Abschirmelemente die im Normalbereich zusätzlich zur eigentlichen Abklingwärme erzeugte Leistung soweit verringert wird, daß eine Wärmeabfuhr ausschließlich durch eine Naturkonvektions-Strömung möglich wird. Der durch die Trennwände am Innentank gebildete Zwischenraum stellt sich auf eine mittlere Temperatur zwischen derjenigen des heißen und derjenigen des kalten Sammlers ein; hierdurch werden die Temperaturunterschiede zwischen heißem und kaltem Sammler stufenweise abgebaut und damit Thermo schocks auf die Trennwände verringert. Wichtig jedoch ist, daß aus dem heißen Sammler Kühlmittel in den Zwischenraum fließen, sich an der Trennwand zum kalten Sammler abkühlen und dann weiter in die Lagergestelle für die Kernelemente strömen kann. Der Zwischen raum ist dabei geometrisch so gestaltet, daß dessen Wärmeschwerpunkt (definiert analog zum Massenschwerpunkt, wobei jedoch statt der Massen die differentiellen Wärme inhalte der Teilvolumina betrachtet werden) des denselben füllenden Kühlmittels höher liegt als derjenige der ab klingenden Kernelemente, wodurch die geforderte Naturkonvektions- Strömung in ausreichender Stärke in Gang kommt. Die genaue Ausdehnung und Form der Trennwände läßt sich nicht gene ralisierend darstellen, da hierfür die Erfordernisse je nach Art und Typ des Reaktors zu unterschiedlich sind. Die Festlegung bereitet dem Fachmann im Wärmetauscherbau jedoch keine Schwierigkeiten. Etwa zeitweise leerbleibende Elementpositionen in den Gestellen brauchen nicht mit Blindelementen gefüllt zu werden.This problem is solved by the in the characteristic Part specified in the first claim, whereby by the arrangement of the decay camp in the outer edge zone of the shielding elements in addition to the normal range actual decay heat generated power so far is reduced that heat dissipation exclusively is made possible by a natural convection flow. The the space formed by the partitions on the inner tank arises to an average temperature between that of the and that of the cold collector; hereby the temperature differences between hot and cold collector gradually degraded and thus thermo shocks on the partitions are reduced. However, it is important that from the hot collector Coolant flow into the gap, on the Cool the partition to the cold collector and then continue in the storage racks for the core elements can flow. The intermediate space is geometrically designed so that its Center of gravity (defined analogously to the center of mass, but differential heat instead of masses contents of the partial volumes are considered) of the same filling coolant is higher than that from sounding core elements, whereby the required natural convection Current of sufficient strength is underway. The exact The extent and shape of the partition walls cannot be determined represent rallizing, since the requirements for this are too different according to the type and type of reactor. The definition prepares the specialist in heat exchanger construction however no difficulties. About empty at times Element positions in the frames do not need to be included To be filled with dummy elements.

Entsprechend der im 2. Anspruch dargestellten Ausgestal tung der Erfindung werden die abgebrannten Kernelemente beziehungsweise die zu ihrer Aufgabe bestimmten Gestelle gruppen weise zwischen den Kühlmittelleitungen angeordnet, was die Tieferlegung derselben und damit ihres Währmeschwer punktes gestattet und das Entstehen einer ausreichenden Naturkonvektions-Strömung begünstigt.Corresponding to the configuration shown in the second claim device of the invention are the spent core elements or groups of frames intended for their task arranged between the coolant lines what the lowering of the same and thus its currency point allowed and the emergence of a sufficient Natural convection flow favors.

Die Ausgestaltung der Erfindung im 3. Anspruch mit ihrer hydraulischen Trennung der abgebrannten Kernelemente von den im Reaktorkern befindlichen vereinfacht die Kon struktion der erforderlichen Fundamente oder Traggerüste im Reaktortank und gestattet insbesondere die Verkleine rung des Kerntraggitters auf die Abmessungen des eigent lichen Reaktorkerns.The embodiment of the invention in claim 3 with your hydraulic separation of the spent core elements from those in the reactor core are simplified by the con construction of the necessary foundations or supporting structures in the reactor tank and especially allows the small ones tion of the core support grid to the dimensions of the actual core of the reactor.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigtAn embodiment of the invention is in the drawing shown, namely shows

Fig. 1 einen halben Längsaxialschnitt entsprechend der Linie I-I der Fig. 2 und Fig. 1 shows a half longitudinal axial section along the line II of Fig. 2 and

Fig. 2 einen halben Querschnitt entsprechend der Linie II-II der Fig. 1. Fig. 2 is a half cross section according to the line II-II in FIG. 1.

In einem Reaktortank 1, der mit einem Deckel 2 verschlossen ist und bis zu einem Spiegel 3 mit einem flüssigen Kühl mittel, z. B. Natrium gefüllt ist, ist ein Reaktorkern 4 angeordnet, bestehend aus Brennelementen 41, Regel- und Abschaltelementen 42 und Brutelementen 43. Radial nach außen schließt sich eine durch Reflektorelemente 44 ein genommene Zone an. Der restliche Zwischeraum bis zur Trennwand 8 ist (soweit er nicht durch Kühlmittelleitungen 5 oder andere, hier nicht dargestellte Komponenten einge nommen wird) größtenteils mit Abschirmelementen 45 ge füllt. Innerhalb der Zone der Abschirmelemente 45 sind Gruppen von abgebrannten Kernelementen 46 angeordnet, die bis zu ihrer Entladung aus dem Kernreaktor in ihrer Radioaktivität abklingen sollen. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind diese abklingenden Elemente 46 durch mehrere Lagen von Abschirmelementen 45 gegen die aus dem Reaktorkern herrührende Strahlung der noch in Betrieb be findlichen Brennelemente 41 soweit abgeschirmt, daß sich die Energiefreisetzung in den abklingenden Elementen 46 im wesentlichen auf die durch die Nachzerfallsprozesse hervorgerufene beschränkt. Die Kühlung dieser Elemente kann dann allein durch Naturkonvektion erfolgen, und die zu ihrer Aufnahme bestimmten Gestelle 47 brauchen auch während des Normalbetriebes nicht an den durch Pumpen 6 aufrechterhaltenen Kühlmittelstrom in den Kern 4 angeschlossen zu werden. Zu diesem Zweck ist neber einer ersten Trennwand 7, die die im Tank befindliche Flüssigkeit in einen heißen Sammler 31 (in dem das aus dem Kern 4 austretende, aufgeheizte Kühl mittel tritt) und einen kalten Sammler 32 (in den das in hier nicht gezeigten Wärmetauschern abgekühlte Kühlmittel zurückkehrt und wo es erneut von den Pumpen 6 angesaugt wird) teilt, eine zweite Trennwand 8 vorhanden. Zwischen beiden Trennwänden 7, 8 entsteht ein umlaufender Zwischen raum 9, der an seinem oberen Ende über einen Spalt 81 mit dem heißen Sammler 31 in Verbindung steht und der an seinem unteren Rand mit Öffnungen 82 versehen ist, durch die Kühlmittel in die Gestelle 47 und aus diesen in die ab klingenden Elemente 46 fließt. Die durch die Pfeile an gedeutete Naturkonvektions-Strömung entsteht dadurch, daß sich das Kühlmittel, das den Zwischenraum 9 füllt, an der ersten Trennwand 7 abkühlt. Dabei sind die Trennwände 7, 8 nach Ausdehnung, Form, Werkstoff und Dicke so ausgestaltet, daß sich durch den Wärmeübergang von heißen 31 zum kalten Sammler 32 im Zwischenraum 9 Temperaturverhält nisse einstellen, die das Ingangkommen der Strömung be günstigen. Zweckmäßigerweise sind, wie hier gezeichnet, Abschirmelemente 45 und abgebrannte Kernelemente 46 auf einem gemeinsamen Fundament 48 angeordnet, daß vom demjenigen 49 unabhängig ist, in dem die Brenn elemenente 41 befestigt sind. Letzteres, die Form einer Gitterplatte aufweisendes Fundament kann dann in seinen Abmessungen klein gehalten werden, was fertigungs- und montagetechnische Erleichterungen bringt.In a reactor tank 1 , which is closed with a lid 2 and up to a mirror 3 with a liquid cooling medium, for. B. sodium is filled, a reactor core 4 is arranged, consisting of fuel elements 41 , control and shutdown elements 42 and brood elements 43rd A zone taken by reflector elements 44 adjoins radially outward. The rest of the intermediate space up to the partition 8 is (insofar as it is not taken through coolant lines 5 or other components not shown here) largely filled with shielding elements 45 . Arranged within the zone of the shielding elements 45 are groups of spent core elements 46 , which are to decay in their radioactivity until they are discharged from the nuclear reactor. As can be seen from the drawing, these decaying elements 46 are shielded by multiple layers of shielding elements 45 against the radiation from the reactor core of the fuel elements 41 that are still in operation to such an extent that the energy release in the decaying elements 46 is essentially due to the Post-decay processes limited. These elements can then be cooled solely by natural convection, and the racks 47 intended to accommodate them do not need to be connected to the coolant flow in the core 4 maintained by pumps 6 even during normal operation. For this purpose is next to a first partition 7 , the liquid in the tank in a hot collector 31 (in which exits from the core 4 , heated cooling medium occurs) and a cold collector 32 (in which the heat exchanger not shown here cooled coolant returns and where it is sucked again by the pumps 6 ) divides, a second partition 8 is present. Between the two partitions 7, 8 a circumferential intermediate space 9 is formed , which is connected at its upper end via a gap 81 to the hot collector 31 and which is provided at its lower edge with openings 82 , through the coolant into the racks 47 and flows from these into the sounding elements 46 . The natural convection flow indicated by the arrows arises from the fact that the coolant which fills the intermediate space 9 cools down on the first partition 7 . The partitions 7, 8 are designed according to expansion, shape, material and thickness so that 9 temperature ratios set by the heat transfer from hot 31 to cold collector 32 in the gap, which favor the start of the flow be favorable. Expediently, as shown here, shielding elements 45 and burned-off core elements 46 are arranged on a common foundation 48 that is independent of the one 49 in which the focal elements 41 are fastened. The dimensions of the latter, the shape of a grid plate, can then be kept small, which makes production and assembly easier.

Claims

1. Liquid-cooled nuclear reactor with a decay bearing arranged inside the reactor tank ( 1 ) for spent fuel elements ( 46 ), a core ( 4) which , seen radially from the inside out, has fuel elements ( 41 ), if necessary brood elements ( 43 ), reflector elements ( 44 ) and has shielding elements ( 45 ), and a division of the liquid volume into a hot ( 31 ) and a cold ( 32 ) collector with intermediate space ( 9 ) caused by internal partition walls ( 7, 8 ), the burnt-off core elements in racks ( 47 ) can be stored, which are arranged within the space occupied by the shielding elements, characterized by the following features:

a) the frames ( 47 ) are arranged in the outer edge zone of the shielding elements ( 45 ).
b) The intermediate space ( 9 ) is hydraulically connected on its upper side to the hot collector ( 31 ) and on its lower side to the lower end of the frames ( 47 ).
c) The partitions ( 7, 8 ) are designed according to arrangement, size and heat transfer properties so that during operation the hot center of the space ( 9 ) filling the liquid above that of the Ge ( 47 ) located core elements ( 46 ).

2. Nuclear reactor according to claim 1, with radially inwardly directed to the core coolant supply lines ( 5 ), characterized in that the spent fuel elements ( 46 ) are arranged in groups between them.

3. Nuclear reactor according to claim 1 or 2, characterized in that the frames ( 47 ) for burnt-off core elements ( 46 ) with the shielding elements ( 45 ) on a common one ( 49 ) of the combustion ( 41 ), brood ( 43 ) and reflector elements ( 44 ) have different foundations ( 48 ).