DE3141892A1

DE3141892A1 - In einem zylindrischen stahldruckbehaelter angeordnete kernreaktoranlage mit einem gasgekuehlten hochtemperaturreaktor

Info

Publication number: DE3141892A1
Application number: DE19813141892
Authority: DE
Inventors: Claus Dr. 6702 Bad Dürkheim Elter; Josef Dipl.-Ing. Dr. 7521 Hambrücken Schöning; Winfried 6941 Gorxheim-Drüsel Wachholz; Ulrich Dipl.-Ing. 6940 Weinheim Weicht
Original assignee: Hochtemperatur Reaktorbau 5000 Koeln GmbH; Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Current assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Priority date: 1981-10-22
Filing date: 1981-10-22
Publication date: 1983-05-11
Also published as: US4752439A; JPS5880596A; JPH032276B2; DE3141892C2

Description

HOCHTEMPERATÜR-REAKTORBAU GmbH

Int.Nr. 8116 14.10.81

In einem zylindrischen Stahldruckbehälter angeordnete Kernreaktoranlage mit einem gasgekiihlten

Hoch tempe ratür reaktor

Die Erfindung betrifft eine in einem zylindrischen Stahldruckbehälter angeordnete Kernreaktoranlage mit einem gasgekiihlten Hochtemperaturreaktor, im Kühlgaskreislauf angeordneten wärmetauschenden Apparaten und diesen nachgeschalteten Umwälzgebläsen.

Stand der Technik sind Anlagen, bei denen ein Hochtemperaturreaktor zur nuklearen Erzeugung von Wärme und die Apparate, die der Nutzung der gewonnenen Wärme dienen, gemeinsam in einem Druckbehälter installiert sind. Die Abführung der Wärme erfolgt hierbei durch ein Kühlgas, das mit Hilfe von Gebläsen in einem geschlossenen Kreislauf (Primärkreislauf) durch den Reaktorkern und die wärmetauschenden Apparate umgewälzt wird. Zur Abfuhr der Nachwärme können besondere Einrichtungen wie Hilfswärmetauscher und HiIfsgebläse vorgesehen sein; es ist jedoch auch möglich, durch besondere Anordnung und Auslegung der Primärkreislaufkomponenten auf derartige Einrichtungen zu verzichten.

So sind beispielsweise bei dem Thorium-Hochtemperaturreaktor (THTR-300) die Wärmetauscher und Gebläse sowie die sekundärseitigen Stränge und die Komponenten derselben derart ausgebildet, daß die gesamte Nachwärme über die primärseitigen Betriebssysteme der Wärmetauscher abgeführt wird. Der Strömungsverlauf des Kühlgases von oben nach unten durch den Reaktorkern und von unten nach oben durch die Wärmetauscher gleicht in diesem Falle dem Strömungsverlauf im Normalbetrieb. Zur gesicherten Nachwärmeabfuhr müssen jedoch die Gebläse jederzeit funktionsbereit sein, um den Kaltgasbereich nicht durch in freier Konvektion aufsteigendes Heißgas zu gefährden.

Bei einer weiteren Kernreaktoranlage mit einem gasgekühlten Hochtemperaturreaktor, der AVR-AnIage, ist der Wärmetauscher oberhalb des Kernreaktors angeordnet, und das Kühlgas strömt von unten nach oben sowohl durch den Reaktorkern als auch durch den Wärmetauscher. Bei Ausfall der unterhalb des Kerns befindlichen Gebläse wird die Nachwärme durch Naturkonvektion an die den Reaktorkern umgebenden Einbauten abgeführt. Diese umfassen neben einem Reflektormantel aus Graphit einen den Graphitmantel umschließenden Kohlestein-Mantel, der zur Abschirmung und

und Wärmeisolierung dient. Zum sicheren Einschluß von freigesetzten Spaltprodukten sind die genannten Einbauten von einem doppelten gasdichten Stahldruckbehälter umgeben. Als biologischer Schild fungiert eine zwischen den beiden Stahldruckbehältern befindliche Schüttung aus Magnetit und Limonit.

Bei dem oben erwähnten THTR-300 wird die Funktion des biologischen Schildes von dem Spannbetondruckbehälter übernommen, der in einer zentralen Kaverne den Kernreaktor und die Wärmetauscher aufnimmt. Der Spannbetondruckbehälter dient nicht nur der Strahlenabschirmung, sondern bildet auch den vollständigen, druckfesten Abschluß der Kernreaktoranlage.

Bei der vorliegenden Erfindung wird von einer eingangs beschriebenen, in einem Stahldruckbehälter angeordneten Kernreaktoranlage ausgegangen. Aufgabe der Erfindung ist es, eine derartige Anlage so auszugestalten, daß einmal die Anlage gegen Einwirkungen von außen geschützt und für die Umgebung ein sicherer Schutz gegen Strahlung sowie gegen die Folgen innerhalb der Anlage auftretender Störfälle gegeben ist und daß zum anderen die Abfuhr von Nachwärme bei Störfällen mit Sicherheit gewährleistet ist.

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Gemäß der Erfindung ist die Kernreaktoranlage dadurch gekennzeichnet, daß der Stahldruckbehälter eng von einer Sicherheitshülle umschlossen ist, die aus zwei konzentrisch und mit Abstand voneinander angeordneten, im wesentlichen zylindrischen Betonschalen, einer monolithisch mit der äußeren Betonschale verbundenen Betondecke sowie einem mit den beiden Betonschalen monolithisch verbundenen Konsolenring besteht, auf dem sich der Stahldruckbehälter abstützt, daß in der inneren Betonschale ein im Naturumlauf betriebenes Betonkühlsystem angeordnet ist, in dem Kühlwasser in einem geschlossenen Kreislauf umläuft,, und daß ein zweites Kühlwassersystem zur Rückkühlung des in dem Betonkühlsystem umlaufenden Kühlwasser vorgesehen ist.

Durch die Sicherheitshülle gemäß der Erfindung wird zum einen eine ausreichende Strahlenabschirmung des Kernreaktors und der Primärkreislaufkomponenten erreicht; sie wirkt also als biologischer Schild. Zum anderen sorgt sie bei unterstellter Aktivitätsfreisetzung aus dem Stahldruckbehälter für den sicheren Einschluß der Anlage bei Leckagen aus dem Primärkreislauf und bei Druckentlastungsstörfällen, bildet also neben der Einschließung des Kühlgases im Stahldruckbehälter eine weitere Barriere zur Rückhaltung

von Spaltprodukten (eine erste derartige Barriere sind bei einem Kernreaktor mit kugelförmigen Brennelementen, die den Spaltstroff in Form von beschichteten Teilchen enthalten, die Brennelemente selbst). Mit der erfindungsgemäßen Sicherheitshülle können die Leckagen des Primärkreislaufs so lange zurückgehalten werden, daß eine kontrollierte Ableitung des Kühlgases über Filter oder eine Gasreinigungs-' anlage an die Umgebung gewährleisteb ist.

Weiterhin übernimmt die Sicherheitshülle den Schutz der Kernreaktoranlage gegen Einwirkungen von außen; solche Einwirkungen können beispielsweise Erdbeben, Flugzeugabstürze oder auch Explosionsdruckwellen sein. Gleichzeitig dient die Sicherheitshülle als Stützkonstruktion für den Stahldruckbehälter. Die äußere Betonschale hat noch die Funktion eines Reaktorschutzgebäudes, während die innere Betonschale den Trümmer- und Splitterschutz übernimmt.

Um diese unterschiedlichen Aufgaben erfüllen zu können, muß der Beton der Sicherheitshülle vor unzulässiger Erwärmung geschützt werden. Daher ist erfindungsgemäß innerhalb der inneren Betönschale ein Betonkühlsystem vorgesehen, das normalerweise die durch Strahlung im Beton induzierte Wärme sowie

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die Wärmeverluste des Stahldruckbehälters abführt. Die Wärmeaufnahme von dem Stahldruckbehälter erfolgt im wesentlichen durch Wärmestrahlung; die Ableitung der Wärme aus dem Beton geschieht durch direkten Kontakt.

Dieses betriebliche Betonkühl system wird gemäß der Erfindung auch für die Abfuhr der Nachwärme verwendet, falls durch einen Störfall die normalerweise die Nachwärmeabfuhr übernehmenden Einrichtungen ausfallen. Als Nachwärmeabfuhreinrichtungen kommen zunächst die Wärmetauscher-Gebläse-Einheiten mit dem betrieblichen Sekundärkreislauf bzw. einem Hilfskühlsystem in Betracht. Auch bei Ausfall der Gebläse kann die primärseitige Nachwärmeabfuhr sichergestellt werden, wenn der Kühlgasdruck im Primärkreislauf hoch genug ist, daß sich eine ausreichende Naturkonvektion einstellt und aufrechterhalten läßt. Fällt jedoch die primärseitige Wärmesenke aus, so wird die Nachwärme erfindungsgemäß über Naturkonvektion, Leitung und Strahlung an den Stahldruckbehälter abgegeben, von dem die Wärme im wesentlichen durch Strahlung an das in der inneren Betonschale befindliche Betonkühl system übertragen wird. Selbst bei Kühlgasverlust (Druckentlastungsstörfall) und Ausfall

sämtlicher Kühlung im Primärkreis wird die Nachwärme über die Oberfläche des Stahldruckbehälters an das Betonkühlsystem abgegeben, ohne daß im erhöhten Maße Spaltprodukte aus den Brennelementen freigesetzt werden.

Das Betonkühlsystem besteht vorzugsweise aus einem auf die innere Betonschale aufgesetzten ringförmigen Hochbehälter, der mit Wasser gefüllt ist und unter Atmosphärendruck steht, sowie aus einer Vielzahl von mit dem Hochbehälter verbundenen senkrechten Steigrohren und Fallrohren, wobei die Steigrohre auf der dem Stahldruckbehälter zugewandten Seite und die Fallrohre auf der der äußeren Betonschale zugewandten Seite der inneren Betonschale angeordnet sind. Die Rückkühlung des in dem Betonkühlsystem umlaufenden Wassers erfolgt durch das zweite Kühlwassersystem, das die in dem Hochbehälter anfallende Wärme nach außen abführt.

Fällt die Rückkühlung des Betonkühlsystems teilweise oder ganz aus, so dampft der Wasserinhalt des Hochbehälters und des Rohrsystems mit etwa 2 bis 3 t/h aus. Je nach Volumen und Wasservorlage des Hochbehälters kann damit ohne aktive Maßnahmen die Nachwärmeabfuhr über mehrere Tage sichergestellt werden.

Die Temperaturen des Stahldruckbehälters bleiben bei einem solchen hypothetischen Störfall deutlich unter 400 ⁰C.

Vorteilhafterweise ist an dem Hochbehälter eine Einrichtung zum Nachspeisen von Wasser vorgesehen. Durch Betätigung dieser Einrichtung kann entweder nach dem Ausdampfen des Betonkühl systems die Nachwärmeabfuhr beliebig lange aufrechterhalten oder es kann das Betonkühlsystem auf eine höhere Abwärmeleistung gefahren werden.

Es ist zweckmäßig, mit dem Hochbehälter eine Abblaseleitung zu verbinden und in dieser Leitung ein Überdruckventil anzuordnen.

Da die Wärmeübertragung von dem Stahldruckbehälter auf die Steigrohre des Betonkühl systems im wesentlichen durch Strahlung erfolgt, kann es vorteilhaft sein, die Steigrohre mit azimutalen Flossen bzw. mit einer Flossenwand auszurüsten. Es können auch Kühlplatten aus Gußmaterial an den Steigrohren angebracht sein.

Um an den innerhalb des Stahldruckbehälters installierten Primärkreislaufkomponenten wie Wärmetauschern und Umwälzgebläsen Wartungs- und Reparaturarbeiten vornehmen zu können, sind in der Sicherheitshülle zweckmäßigerweise mehrere große Durchbrüche vorgesehen, die auch den Ausbau dieser Komponenten gestatten. Die Durchbrüche sind durch abnehmbare druckfeste und gasdichte

Deckel verschlossen, die auf der äußeren Betonschale aufgesetzt oder in diese eingesetzt sind.

In ihrem mittleren Bereich kann die innere Betonschale mit einer nach innen gerichteten Verdickung in Form eines Flansches versehen sein, an der sich ein Stützring abstützt, der auf dem Mantel des Stahldruckbehälter aufgebracht ist. Der Stützring hat die Aufgabe, den Stahldruckbehälter bei Erdbebenbeanspruchung abzusichern. Dieser ist somit nur an der inneren Betonschale abgestützt. Eine Abstützung auch an der äußeren Betonschale würde eine direkte Einwirkung "des Lastfalles "Flugzeugabsturz" auf den Stahldruckbehälter nach sich ziehen.

Die Sicherheitshülle kann sich ihrerseits auf Unterstützungsringen aus Beton abstützen, die monolithisch mit den beiden Betonschalen wie auch mit dem Konsolenring verbunden sind, auf dem der Stahldruckbehälter gelagert ist.

Der zwischen den beiden Betonschalen vorhandene Ringraum, der während des Betriebes eingeschränkt begehbar ist, läßt sich vorteilhafterweise als Arbeitsraum verwenden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kernreaktoranlage schematisch dargestellt. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 die gesamte Kernreaktoranlage im Längsschnitt, aber ohne Betonkühl system,

Fig. 2 eine verkleinerte und stark vereinfachte Darstellung der Kernreaktoranlage mit dem Betonkühlsystem.

Die Figur 1 läßt einen mehrteiligen zylindrischen Stahldruckbehälter 1 erkennen, dessen einzelne Teile durch Flansche 2 miteinander verbunden sind. In dem Stahldruckbehälter 1 ist eine Kernreaktoranlage installiert, die aus einem im unteren Teil des Behälters befindlichen HT-Kleinreaktor mit einer Leistung von 100 MWe und einem im oberen Behälterteil angeordneten Wärmenutzungssystem besteht, das mehrere Dampferzeuger und diesen nachgeschaltete Umwälzgebläse umfaßt. Von den genannten Komponenten sind nur die Umwälzgebläse 3 gezeigt, die. unten seitlich an dem oberen Teil des Stahldruckbehälters 1 angebracht sind. Der Stahldruckbehälter 1 stützt sich auf einem Konsolenring 4 aus Beton ab.

Eng um den Stahldruckbehälter 1 ist eine Sicherheitshülle 5 angeordnet, die aus zwei im wesentlichen zylindrischen Betonschalen, der inneren Betonschale 6 und der äußeren Betonschale 7, sowie aus einer monolithisch mit den beiden Betonschalen verbundenen Betondecke 9 besteht; der Konsolenring 4 ist ebenfalls in die Sicherheitshülle 5 integriert. Die Sicherheitshülle 5 ist auf zwei Unterstützungsringen 10 und 11 aus Beton aufgelagert; auch mit diesen Ringen ist sie monolithisch verbunden. Zwischen den beiden Betonschalen.6 und 7 befindet sich ein Ringraum 8, der eingeschränkt begehbar ist und als Arbeitsraum benutzt werden kann.

In der Betondecke 9 wie auch im mittleren Mantelbereich der Sicherheitshülle 5 sind mehrere große Durchbrüche vorgesehen, die mit abnehmbaren druckfesten und gasdichten Deckeln 12 verschlossen sind. Der Durchbruch 13 in der Betondecke 9 gestattet den Zugang zu den Dampferzeugern in dem Wärmenutzungssystem und ermöglicht auch den Ausbau dieser Komponenten. Die im Mantelbereich der Sicherheitshülle 5 vorgesehenen Durchbrüche 14 nehmen in der inneren Betonschale 6 die Umwälzgeblä&e 3 auf; die äußere Betonschale, in die die Deckel 12 eingesetzt sind (in der Fig. 1 ist einer der Deckel 12 entfernt), zeigt im Bereich der Durchbrüche 14 eine Verstärkung. Durch die Durchbrüche 14 können die Umwälzgebläse 3 ausgebaut bzw. es können Wartungs- und Reparaturarbeiten an ihnen vorgenommen werden.

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Im Bereich der mittleren Flansche 2 des Stahldruckbehälters 1 weist die innere Betonschale 6 eine nach innen vorspringende Verdickung 6 auf. An dieser stützt sich ein Ring 16 ab, der auf den Stahldruckbehälter 1 aufgesetzt ist. Er dient als Erdbebensicherung für den Stahldruckbehälter 1.

Im Konsolenring 4 sind Durchführungen 17 für ein aus Absorberstäben und deren Antriebseinrichtungen bestehendes Abschaltsystem 18 vorgesehen; eine zentrale Durchführung 19 nimmt ein Kugelabzugsrohr 2 0 auf (wenn der HT-Kleinreaktor mit kugelförmigen Brennelementen betrieben wird). Die Speisewasserzuführungen 21 sowie die Frischdampfleitungen 22 der Dampferzeuger sind außerhalb der Sicherheitshülle 5 in dem Reaktorgebäude 23, das die Sicherheitshülle 5 umgibt, nach unten verlegt und treten horizontal durch den ünterstützungsring 11 hindurch.

Für eine Kernreaktoranlage der oben angegebenen Leistung mit vier Dampferzeugern haben die beiden Betonschalen 6 und 7 zusammen mit dem Ringraum 8 eine Dicke von ca. 2,70 in. Davon entfallen auf die innere Betonschale 0,70 m Wandstärke und auf den Ringraum 8 eine Breite von 0,80 m.

Um die innere Betonschale 6 vor einer thermischen überbeanspruchung zu schützen, weist die Sicherheitshülle 5 ein Betonkühlsystem 24 auf, das gleichzeitig die Aufgabe hat, bei Ausfall der primärseitigen Nachwärmeabfuhreinrichtungen in der Kernreaktoranlage das Abführen der Nachwärme zu übernehmen. Das Betonkühlsystem 24, das im Naturumlauf betrieben wird, ist in der Fig. 2 dargestellt.

Das Betonkühlsystem 24 umfaßt einen ringförmigen Hochbehälter 25, der unter Atmosphärendruck steht, sowie ein aus einer Vielzahl von Steigrohren 26 und Fallrohren 27 bestehendes Rohrsystem, in dem Kühlwasser in einem geschlossenen Kreislauf umläuft und das mit dem Hochbehälter 25 verbunden ist. Der Hochbehälter 25, der ca. 100 m³ Wasser aufnimmt, ist auf die innere Betonschale 6 aufgesetzt. Er ist mit einem zweiten Kühlsystem 28 verbunden, in dem ebenfalls Kühlwasser umläuft. Dieses zweite Kühlwassersystem führt die in dem Hochbehälter 25 anfallende Wärme nach draußen ab.

Die Steigrohre 26 sind innerhalb der inneren Betonschale 6 auf der dem Stahldruckbehälter 1 zugewandten Seite installiert; die Fallrohre 27 befinden sich auf der der äußeren Betonschale 7 zugekehrten Seite.

Die Steigrohre 26 können mit azimutalen Flossen oder mit einer Flossenwand versehen sein (nicht dargestellt). Mit dem Hochbehälter 25 ist eine nach draußen aus der Sicherheitshülle 5 führende Abblaseleitung 29 verbunden, in der ein Überdruckventil 30 angeordnet ist. Mittels einer (nicht gezeigten) Einrichtung zum Nachspeisen von Wasser ist es jederzeit möglich, den Wasservorrat in dem Hochbehälter 25 zu ergänzen.

Bei der Nachwärmeabfuhr aus dem Primärkühlkreislauf wird die Wärme im wesentlichen von dem Stahldruckbehälter 1 durch Strahlung auf die innere Betonschale 6 der Sicherheitshülle 5 übertragen. Die Aufnahme der Wärme durch das in den Steigrohren 26 aufsteigende Wasser erfolgt durch Wärmeleitung. Die Wärme wird in den Hochbehälter 25 transportiert und dort an das zweite Kühlwassersystem 28 abgegeben.

Bei Ausfall des Kühlwassersystems 28 heizt sich das Wasser in dem Hochbehälter 25 auf und wird verdampft. Auch unter diesen Bedingungen kann die Nachwärmeabfuhr ohne aktive Maßnahmen für 2 bis 3 Tage aufrechterhalten werden. Muß ein längerer Zeitraum in Anspruch genommen werden, so kann durch die Einrichtung zum Nachspeisen von Wasser der Hochbehälter 25 wieder aufgefüllt werden.

Claims

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Patentansprüche

In einem zylindrischen Stahldruckbehälter angeordnete Kernreaktoranlage mit einem gasgekühlten Hochtemperaturreaktor, im Kühlgaskreislauf angeordneten wärmetauschenden Apparaten und diesen nachgeschalteten Umwälzgebläsen, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahldruckbehälter (1) eng von einer Sicherheitshülle (5) umschlossen ist, die aus zwei konzentrisch und mit Abstand voneinander angeordneten, im wesentlichen zylindrischen Betonschalen (6,7), einer monolithisch mit der äußeren Betonschale (7) verbundenen Betondecke (9) sowie einem mit den beiden Betonschalen (6,7) monolithisch verbundenen Konsolenring (4) besteht, auf dem sich der Stahldruckbehälter (1) abstützt, daß in der inneren Betonschale (6) ein im Naturumlauf betriebenes Betonkühlsystem (24) angeordnet ist, in dem Kühlwasser in einem geschlossenen Kreislauf umläuft, und daß ein zweites Kühlwassersystem (28) zur Rückkühlung des in dem Betonkühlsystem (24) umlaufenden Kühlwassers vorgesehen ist.
2. Kernreaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Betonkühlsystem (24) einen mit unter Atmosphärendruck stehendem Wasser gefüllten ringförmigen Hochbehälter (25) umfaßt, der auf die innere Betonschale (6) aufgesetzt ist, sowie eine Vielzahl von mit dem Hochbehälter (25) verbundenen senkrechten Steigrohren (26) und Fallrohren (27), wobei die Steigrohre (26) auf der dem Stahldruckbehälter (1) zugewandten Seite und die Fallrohre (27) auf der der äußeren Betonschale (7) zugewandten Seite der inneren Betonschale (6) angeordnet sind, und daß die in dem Hochbehälter (25) anfallende Wärme durch das zweite Kühlwassersystem (28) nach außen abgeführt wird.
3. Kernreaktoranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Hochbehälter (25) eine Einrichtung zum Nachspeisen von Wasser vorgesehen ist.
4. Kernreaktoranlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochbehälter (25) mit einer Abblaseleitung

(29) versehen ist, in der ein Überdruckventil (30) angeordnet ist.
5. Kernreaktoranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Steigrohren (26) azimutal angeordnete Flossen angebracht sind bzw. eine Flosswand vorgesehen ist.
6. Kernreaktoranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Steigrohren (26) Kühlplatten aus Gußmaterial angeordnet sind.
7. Kernreaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherheitshülle (5) mehrere große Durchbrüche (13,14) aufweist, die in der äußeren Betonschale (7) mit abnehmbaren druckfesten und gasdichten Deckeln (12) verschlossen sind.
8. Kernreaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahldruckbehälter (1) etwa in seiner Mitte durch einen Stützring (16) an der inneren Betonschale (6) abgestützt ist, die in diesem Bereich eine nach innen vorspringende Verdickung (15) aufweist.
9. Kernreaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherheitshülle (5) auf Unterstützungsringen (10,11) aufgelagert ist, die monolithisch mit den beiden Betonschalen (6,7) verbunden sind.
10. Kernreaktoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den beiden Betonschalen (6,7) vorhandene Ringraum (8) als Arbeitsraum verwendbar ist.