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Jiochtemperaturreaktor mit geschlossenem Gaskühlkreislauf Die Erfindung
betrifft einen Hochtemperaturreaktor mit geschlossenem Gaskühlkreislauf, der gemeinsam
mit wärmetauschenden Apparaten und mindestens einem Gasturbosatz sowie den das Gas
führenden Leitungen zwischen den einzelnen Komponenten in Ausnehmungen eines Spannbetondruckbehälters
untergebracht ist, wobei der Reaktor in einer zylinderförmigen Kaverne und die anderen
Komponenten in teils horizontalen, teils vertikalen Stollen installiert sind. In
seinem unteren Bereich weist der Hochtemperaturreaktor einen Heißgassammelraum auf,
an den sich mehrere vorzugsweise radiale Austrittsstutzen anschließen, die jeweils
mit
einer zu der Turbine oder den Turbinen führenden Heißgasleitung
verbunden sind.
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Wenn aus Kernreaktoren oder sonstigen Einrichtungen, die gegen Strahlungen
nach außen abgedichtet sein müssen, Rohrleitungen oder dgl. austreten, so sind besondere
Sicherheitsvorkehrungen zu treffen, um den Durchtritt von schädlicher Strahlung
durch den Rohrleitungsquerschnitt zu verhindern. Bei einem Kernreaktor der eingangs
beschriebenen Bauart wird zu~dem davon ausgegangen, daß die im Spannbetondruckbehälter
integrierten Einbauten wie Gasführungen, wärmetauschende Apparate, Armaturen u.
a. für Inspektion, Wartung, Reparatur und Ausbau weitgehend zugänglich sein müssen.
Dies setzt voraus, daß diese Einbauten so weit wie möglich vor einer Aktivierung
durch direkte Neutronenbestrahlung geschützt werden müssen, um eine technisch und
wirtschaftlich sinnvolle Demontage dieser Komponenten - d.h. ohne großen Strahlenschutzaufwand
- zu ermöglichen. Insbesondere trifft dies auf die Heißgasleitungen zu, die den
Reaktorkern mit der Turbine oder den Turbinen verbinden.
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Es gehört zum Stand der Technik, bei Atomkernreaktoren, die mit den
Wärmetauschern in einem gemeinsamen Druckbehälter untergebracht sind, den den Reaktorkern
enthaltenden Teil der Anlage durch Abschirmeinrichtungen von dem Teil zu trennen,
in dem die Wärmetauschergruppen installiert sind. Durch eine besondere Formgebung
des Abschirmungsaufbaus wird dafür Sorge getragen, daß das Kühlmittel ohne wesentlichen
Druckabfall vom Reaktorkern zu den Wärmetauschern strömen kann, ohne daß die Abschirmwirkung
beeinträchtigt wird.
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In der Auslegeschrift 1 083 945 wird z.B. ein Kernreaktorschirm beschrieben,
der ein zylindrisches Innenstück und einen äußeren Abschirmungsring aufweist, die
zusammen teilringförmige Strömungswege für das Kühlmittel bilden. Durch einen weitern
Abschirmungsring
mit kleinerem Innendurchmesser wird die Kühlmittelströmung
nach innen umgeleitet. Der Abschirmungsaufbau setzt sich aus Borstahl- und Graphitschichten
zusaninen, auf die oben und unten Platten aus Flußstahl aufgesetzt sind.
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Bei dem in der Auslegeschrift 1 589 848 dargestellten Kernreaktor
bestehen die Abschirmeinrichtungen zwischen dem Reaktorkern und den Wärmetauschergruppen-aus
Betonwänden, die Öffnungen für das Kühlmittel besitzen. Die Betonws cle sind mit
Leitflächen ausgestattet, die eine durch die Öffnungen zu den Wärmetauschern gerichtete
Strahlung verhindern.
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Während die beiden erwähnten Auslegeschriften einen Atomkernreaktor
mit zylindrischem Kernaufbau und zylindrischem Druckbehälter betreffen, ist in der
Auslegeschrift 1 169 045 ein weiterer mit einer Schutzabschirmung vers eli euer
Kernreaktor beschrieben, der zwar ebenfalls einen zylindriscllen Kernaufbau aufweist,
aber in einem kugelförmigen Druckbehälter untergebracht ist. Hierbei wird der normalerweise
freibleibende Hohlraum zwischen Reaktorkern und Druckbehälter durch die Installierung
einer Abscllirmung aus Bohrstahl- und Grapilitschichten nützlich ausgefüllt, und
in diesem Bereich werden die Zuführungsleitung und die Abführungsleitung für a Kühlmittel
durch den Druckbehälter verlegt. Auf diese Weise werden die beiden Leitungen und
die sich an diese anschließenden Wärmetauscher vor einer Aktivierung geschützt.
Um die Höhe der Abschi-rmung relativ gering halten zu können, sind die Zufi;iiungs-
und die Abführungsleitung für das Kühlmittel koaxial zueinander verlegt.
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Ferner wird noch auf die Offenlegungsschrift 1 464 705 verwiesen,
die eine gegen Strahlung abgeschirmte Rohrleitung betrifft.
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Die Rohrleitung wird gerade aus dem Kernreaktor herausgeführt, wobei
sie im Bereich der Durchführung erweitert und die Abschirmung gewissermaßen in die
Rohrleitung hineinverlegt ist.
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Die Abschirmung deckt den Leitungsquerschnitt ab, und die Gas-oder
Flüssigkeitsströmung wird um die Abschirmung herumgeführt.
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Diese Art der Abschirmung zeigt den Nachteil, daß der Leitungsquerschnitt
im
Bereich der Abschirmung vergrößert sein muß.
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Von diesem Stand der Technik wird bei der vorliegenden Erfindung ausgegangen,
wobei ihr die Aufgabe zugrundeliegt, einen Hochtemperaturreaktor der eingangs geschildorten
Bauart anzugeben, bei dem eine direkte Neutroneneinstrahlung aus dem Heißgassammelraum
in die Heißgasleitungen und damit eine Aktivierung der metallischen Einbauten dieser
Leitungen verhindert wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch
gelöst, daß in dem Heißgassammelraum er dessen ganze Höhe eine Abschirmung in Form
einer Ringmauer vorgesehen ist, die koaxial zu der Reaktorkaverne und mit eineil;
solchen Abstand zu ihr angeordnet ist, daß der entstehende Ringraum für die Kühlgasströmung
ausreichend dimensioniert ist, und daß die Ringmauer mehrere Reihen von Schlitzen
für tloi Kiihlgasdurchtritt aufweist, die zu den Reaktoraustrittsstutzen versetzt
angeordnet sind.
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Durch den Einsatz der Ringmauer gemäß der Erf ndung werden die metallischen
Einbauten der Heißgasleitungen zwischen dem Reaktorkern und der Turbine oder den
Turbineii abgeschirmt, so daß eine Ativierung und Versprödung des Materials vermieden
wird. Außerdem ermöglicht die Abschirmung den Ausbau der Heißgasleitungen mit einem
geringeren StrahlenscllllLzaLLfwand, als er ohne die erfindungsgemäße Maßnahme erforderlich
wäre. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß durch Anordnung der Ringmauer
und der vornehmlich radial verlaufenden Schlitze eine Zwangsführung des heißen Kühlgases
erreicht wird, die eine Verbesserung der Temperaturverteilung an den Reaktoraustrittsstutzen
zur Folge hat; durch eine gute Vermischung des Kühlgases können keine heißen oder
kalten Strähnen entstehen.
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Tragende Funktionen werden von der Ringmauer nicht ausgeübt.
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Die Ringmauer besteht vorzugsweise aus Graphit, t, der eine borierte
Zone aufweist. Bei einem Kernkraftwerk, das drei gleich parallelgeschaltete und
symmetrisch angeordnete Wärmnutzungskreislüufe (Loops) umfaßt und für 8 x 350 MWe
ausgelegt ist, besteht die Ringmauer beispielsweise aus einer Graphitschicht von
40 cm Dicke, und die borierte Zone (mit einem Gehalt von ca. 0,5 % Bor) ist ungefähr
20 cni stark. Die Höhe der Ringmauer beträgt etwa 210 cm.
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Unter Berücksichl;i gung der wichtigsten Aktivierungsprodukte (Co,
Hf, Ta) ergab eine Abschätzung, daß der tllerrnische Neutronenfluß #th in den Heißgasleitungen
durch Einbau der Ringmauer um ca. zwei Größenordnungen reduziert wird. Im Bereich
des Anschlusses der Heißgasleitungen an die Reaktoraustrittsstutzen beträgt #th#2
x 107 n/cm² sec, während am Turbineneintritt mit einem thermischen Neutronenfluß
von #th# 2 x 10³ n/cm² sec gerechnet werden muß.
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Um den Einbau zu erleichtern, besteht die Ringmauer aus einer Anzahl
von Graphitesegmenten. Bei dem als Beispiel angeführten Kernkraftwerk mit drei Wärmenutzungskreisläufen
wird die Ringmauer von ca. 36 Graphitesegmenten gebildet, die so bemessen sincl,
daß sich e in Innendurchmesser von 837 Ciii ind ein Außendurch von 953 cm für die
Ringmauer ergibt.
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Vorteilhafterweise sind die Ringmauersegmente in die Tragblöcke für
den Reaktoren und in die Bodenisolierung der Reaktorkaverne eingezogen, um eine
Überseckung mit anderen Abschirmwerkstoffen zu erreichen. Die Abstützung der eittæolnen
Graphitseg mente erfolgt - ähnlich wie bei den Tragsäulen fiir den Reaktorkern -
über Wärmeisolatoren auf dem Liner, mit dem die Reaktorkaverne wie auch die übrigen
Ausnehmungen i m Spannbetondruckbehälter üblicherweise ausgekleidet sind. Das obere
Ende der Graphitsegmente ist mittels Dübeln im Seitenroflektor des Reaktors verankert.
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Es ist zweckmäßig, in den Ringmauersegmenten Aussparungen vorzusehen,
die die Tragsäulen zur Abstützung des Reaktorkerns aufnehmen. Die Ausnehmungen sind
groß genug dimensioniert, um eine freie Bewegung der Säulen unter allen Betriebsbedingungen
zu gestatten; d.h. die Funktionen der Tragsäulen werden durch das Vorhandensein
der Abschirmringmauer nicht beeinträchtigt.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist in der Ringmauer
eine Anzahl von Abschirmstäbeti alls B4 C vorgesehen, die in Verüikalbohrungen der
einzelnen Graphitsegmente installiert sind. Jede Bohrung ist mit einem Gru-phitstopfen
verschlossen. Die Abschirmstäbe sind beispielsweise in vier auf verschiedenen Teilkreisen
befindlichen Reihen angeordnet, wobei sie derart gegeneinander versetz-t sind, daß
sich ihre Wirkungsbereiche vollständig überdecken. In ihrem Außendurchmesser entsprecheii
die Abschirmstäbe vorteilhafterweise den in an sich bekannter Weise in der BodenrefLektorabscllirmung
vorgesehenen Abschirmstäben.
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Bei einem Kernkraftwerk mit drei Wärmenutzungskreisläufen, zu dem
also drei Turbosätze gehören, ist die Ringmauer mit 6 x 6 Sclilitzreihen für den
Kühlgasdurchtritt ausgestattet, wobei jeweils zwei Schlitzzeihen einem Reaktoraustrittsstuten
zugeordnet sind. Jeder Stutzen ist über eine Heißgasleitung mit einem der d-rei
Turbosätze verbunden. Die Schlitze sind strömungstechnisch optimiert.
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Ist das Kernkraftwerk mit einem an sich bekaiiriten Nachwärmeabfuhrsystem
ausgerüstet, so sind dessen Heißgasleitungen vorteilhafterweise versetzt zu den
Reaktoraustrittsstutzen angeordnet, und die Kühlgasschlitze befinden sich in den
Bereichen der Ringmauer, die jeweils dem zwischen einem Reaktoraustrittsstützen
und einem Anschluß für das Nachwärmeabfuhrsystem befindlichen Teil der Kaverne gegenüberliegen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel <jes Hochtemperaturreaktors
gemäß der Erfindung schematisch dargestellt, und zwar zeigen Fig. 1 einen Schnitt
durch den Kernreaktor nach der Linie I-I der Fig. 2, Fig. 2 einen Schnitt nach der
Linie TT-II der Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie IEI-III der Fig. 2 in
vergrößerter Darstellung.
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Die Figuren 1 und 2 lassen einen Hochtemperaturreaktor 1 erkennen,
der im Zentrum eines zylindrischen Spannbetondruckbehälters 9 angeordnet ist, in
dem auch die übrigen Kreislaufkomponenten (Turbogruppen, wärmetauschende Apparate,
Gasführungen) in teils horizontalen, teils vertikalen Stollen untergebracht sind.
Von diesen sind in der Zeichnung nur zwei vertikale Gasfüilrungsstollen 3 zu sehen.
Der Hochtemperaturreaktor l ist in einer zylinderförmigen Kaverne 4 eingebaut, die
(wie alle anderen Ansnehmungcn im SpannbetondruclcbehXiller 2) mit einem Liner 5
ausgekleidet ist und zusätzlich eine thermische Isolierung 6 aufweist.
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Über den Hochtemperaturreaktor 1, der als graphitmodierter, heliumgekühlter
Kernreaktor ausgeführt ist, sind drei parallelgeschaltete und symmetrisch angeordnete
Wärmenl1tzung-skreisläufe gekoppelt, von denen jeder einen aus Turbine und Verdichter
bestehenden Gasturbosatz sowie einen Rekuperator und einen Vorkühler umfaßt. Unterhalb
des Bodens des Reaktorkerns, der aus Tragblöcken 7 für die Kernabstützung gebildet
wird, befindet . sich ein Heißgassammelraum 8 zur Aufnahme des aus dem Kern aus
tretenden erhitzten Gases, Die Tragblöcke-7 stützen-sich auf Säulen 9 ab. Über dem
Reaktorkern ist ein Kaltgassammelraum 10
vorgesehen, der das aus
dem Hauptkreislauf zurückströmende Gas aufnimmt, bevor es wieder dem Reaktorkern
zugleitet wird. Durch drei radiale Austrittsstutzen 11 und ebensoviele radiale Eintrittsstutzen
12 ist der Hocjtemperaturreaktor 1 mit den drei WarrneUt zungskre.i s i iiuf en
verbunden, wobei die Zuführung des heißen Gases zu den drei Turbinen durch drei
iinerhalb der vertikalen Gasführungsstollen 3 verlegte Heißgasleitungen 13 erfolgt.
Die an die Reaktoreintrittsstutzen 12 angeschlossenen Kaltgasleitungen 14 sind ebenfalls
in den vertikalen Gasführungsstollen 3 installiert.
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Der Reaktorkern ist von einem Seitenreflektor 15 umgeben und besitzt
nach dem Kaltgassammelraum 10 hin eine Abschirmung 16, die Durchlässe (nicht dargestellt)
für das Kühlgas aufweist.
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In dem Heißgassammelraum 8 ist koaxial zur Reaktorkaverne 4 eine weitere
Absciiirmung vorgesehen, die die Ferm einer Ringmauer 17 hat iind einen Ringraum
18 entstehen läßt, der auf der anderen Seite vom Liner 5 der Reaktorkaverne 4 begrenzt
wird.
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Nach oben hin ist der Ringraum 18 durch einc Umfangsdichtung 19 abgeschlossen.
Die Ringmauer 17 ist aus einer Anzahl von Segmeuten 20 zusammengesetzt; sie besteht
aus Graphit, der eine borierte Zone aufweist. Ihre Aufgabe ist es zu verhindern,
daß die Heißgasleitungen 13, die sich an die Reaktoraustrittsstutzen 11 anschließen,
einer direkten Neutroneneintrahlung aus dem Heißgassammelraum 8 ausgesetzt sind.
Für den Durchtritt des heißen Kühlgases sind in der Ringmauer 17 mehrere Reihen
von Schlitzen 21 vorgesehen, deren Anordnung so getroffen ist, daß sie zu den Reaktoraustrittsstutzen
11 versetzt liegen.
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Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel gehört zu dem Hochtemperaturreaktor
auch ein Nachwärmeabfuhrsystem (nicht dargestellt), dessen Heißgasleitungen 22 ebenfalls
an den Heißgassammelraum 8 angeschlossen sind. Das gesandte System ist in drei vertikalen
Stollen installiert, die sich jeweils auf Lücke zwischen den Gasführungsstollen
3 befinden. Die Anschlüsse 23
für die drei Heißgasleitungen 22
sind ebenfalls auf Lücke zu den drei Reaktoranstrittsstutzen 11 gesetzt, wie aus
der Fig. 2 ersichtlich. Die Anordnung der Kühlgasschlitze 21 ist so getroffen, daß
die den Reaktoranstrittsstutzen 11 und den Anschlüssen 23 gegenüberliegenden Teile
der Ringmauer 17 frei von Schlitzen Bleiben; d.h. die dazwischen liegenden Bereiche
weisen je eine Reihe von Schlitzen 21 a-uf. Zahl und Größe der Schlitze 21 sowie
Breite des Ringraumes 18 sind strömungstechwisch optimiert. In der Fig. 2 sind nur
zwei Reihen von Schlitze zen gezeigt.
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In der Figur 3 i i. i'd eine genauere Darstellung der Ringmauer 17
und ihrer Funktion gegeben. Gleiche Bauteile s-ind dabei mit den gleiche Bozugsziffern
bezeichnet wie in den Figuren 1 und 2 Wie bereits erwähnt. schließt die Ringmauer
17 zusammen mit dem Liner 5 der Reaktorverne 4 einen Ringraum 18 ein, durch den
das heiße Kühigas zu den Reaktoraustrittsst1ltzen 11 strömt. Der Durchtritt des
Kühlgases zu dem Ringraum 18 erfolgt durch die Schlitze 21, elie versetzt zu den
ReaktorausUtsittsstutzen 11 unc1 den Anschlüsseji 23 für das Nachwärmeabfuhrsystem
in der Ringmauer 17 angeor<lnot sind. Auf diese Weise wird eine gute Abschirmung
(letw sich an die Stutzen 11 und Anschlüsse 23 anschließenden Leitungen 13 bzw.
22 gegen direkte Neutroneneinstrahlung erreicht und eine Aktivierung und Versprödung
des Materials dieser Leitungen verhindert. Die Ileißgasleitungen lassen sich daher
mit geringem Strahlenschutzaufwand ausbauen-.
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Um die Abschirmwirkung der Ringmauer 17 noch zu verbessern, sind ihre
Graphitsegmente 20 auf der oberen Seite in die Tragblöcke 7 für die Reaktorabstützung
und auf der unteren Seite in die Bodenisiolierung 24 der Kaverne 4 eingezogen. In
den Tragblöcken 7 sind die Graphitsegmente 20 durch Dübel 25 fixiert. Mit ihrem
unteren Ende stützen sie sich über Wärmeisolatoren 26 auf der Bodenisolierung 24
ab. Ähnliche Wärmeisolatoren 27 dienen auch
zur Abstützung und
gleichzeitigen Lagerung der Säulen 9.
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Innerhalb der Ringmauer 17 sind ebenfalls Tragsäulen 9 vorgesehen,
wo sie in besonderen Aussparungen angeordnet sind, die der Funktion der Tragsäulen
unter allen Betriebsbedingungen Rechnung tragen (nicht dargestellt). Damit die bei
thermischer Belastung auftretenden vertikalen und horizontalen Dehnungen der Ringmauersegmente
20 kompensiert werden können, sind in den Tragblöcken 7 hinreichend große Aussparungen
33 zur Aufnahme der Segmente 20 vorgesehen.
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Ferner weist die Ringmauer 17 eine Anzahl von vertikalen Bohrungen
30 auf, in denen je ein Abschirmstab 28 untergebracht ist.
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Die Bohrungen 30 sind oben je mit einem Stopfen 29 verschlossen.
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Das Material der Abschirinstäbe 28 ist B4 0. Die Bohrungen 30 sind
in vier auf verschiedenen Teilkreisen liegenden Reihen angeordnet, und ihr Abstand
sowie der Abstand der Reihen ist so festgelegt, daß sich die Wirkungsbereiche der
einzelnen Stäbe 28 überdecken.
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Durch Pfeile ist der Strömungsweg des Kühlgases aus dem Heißgassammelraum
8 durch die Schlitze 21 in der Ringmauer 17 in den Reaktoraustrittsstutzen 11 angedeutet.
Da der Stutzen 11 hohen thermischen Belastungen (ca. 8500 C) ausgesetzt ist, besteht
er aus Keramik, und zwischen ihm und dem Liner 32 des Stollens, in dem der Stutzen
11 installiert ist, befindet sich eine Wärmeisolierung 31.