CH671111A5 - - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft einen Hochtemperatur-Kernreaktor mit einem Druckbehälter, in dem ein von Graphit ummanteltes Core und mindestens ein Wärmetauscher angeordnet sind.

Derartige Kernreaktoren mit einem gasgekühlten Reaktor-Core sind allgemein bekannt. Diese bestehen im wesentlichen aus beispielsweise einem zylindrischen Spann-beton-Druckbehälter, einer darin zentral angeordneten, das Reaktor-Core aufnehmenden Kaverne, einem diese allseitig umgebenden thermischen Schild sowie Dampferzeugern, Gebläsen und Kühlgasleitungen zwischen dem Core und den wärmetauschenden Einrichtungen. Das aus dem Gebläse zurückströmende Kaltgas wird über eine Kaltgaskammer ins Core geführt.

Es wurden auch bereits in Abhängigkeit vom Reaktortyp verschiedene Anordnungen der Komponenten relativ zueinander vorgeschlagen.

Bei einem als THTR-300 bekannten Kugelhaufen-Kernreaktor sind die Dampferzeuger auf einem Teilkreis um das Core ausserhalb eines das Core umschliessenden Graphitmantels auf etwa gleicher Höhe wie das Core angeordnet. Dabei sind die zur Umwälzung des Kühlgases erforderlichen Gebläse in einer Seitenwand des Spannbeton-Behälters untergebracht.

Abweichend von dieser Anordnung ist es aus der GB-PS 1 025 859 bekannt, die Dampferzeuger in axialer Richtung versetzt unterhalb des Cores anzuordnen. Die Gebläse sind auch bei dieser Anordnung wiederum in der Seitenwand des Druckbehälters installiert, jedoch unterhalb der Dampferzeuger.

Aus der DE-OS 3 141 734 ist ein Hochtemperatur-Kernre-aktor der eingangs beschriebenen Art bekannt, bei dem Hauptdampferzeuger in dem von der Kavernenwand und dem thermischen Seitenschild gebildeten Ringraum untergebracht sind. Dabei sind ein Sammler- und Verteilersystem in einem vertikalen Durchbruch in der Druckbehälterdecke und Hauptgebläse in horizontalen Durchbrüchen im oberen Teil der zylindrischen Druckbehälterwandung angeordnet. Weiterhin sind Hilfsdampferzeuger in vertikalen Durchbrüchen im Boden des Druckbehälters und Hilfsgebläse in horizontalen Durchbrüchen im unteren Teil der Druckbehälterwandung untergebracht. Die vertikalen Durchbrüche in der Druckbehälterdecke sind durch jeweils zwei im betreffenden Durchbruch angeordnete Stahldeckel abgeschlossen.

Bei diesem bekannten Hochtemperatur-Reaktor sollen die Hilfswärmetauscher im Falle ihrer Anordnung in der Kaverne je nach ihrer Position in bezug auf den Reaktorkern zur Verbesserung der Naturkonvektion bei der Nachwärme-abfuhr beitragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochtemperatur-Kernreaktor der eingangs beschriebenen Art vorzuschlagen, der bei einem besonders einfachen Aufbau eine grosse Leistung, einen sicheren Einschluss des radioaktiven Inventars und im Störfall eine zuverlässige Abfuhr der nach kernphysikalischen Gesetzen über längere Zeit entstehenden Nachzerfallswärme mit passiven Mitteln gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird für einen eingangs beschriebenen Hochtemperatur-Kernreaktor vorgeschlagen, dass der Wärmetauscher in einem Parallelabstand zum Core im Graphit eingebettet ist.

Die erfindungsgemässe Wärmetauscheranordnung bietet zunächst den wesentlichen Vorteil, dass für Wärmeträgerleitungen des Primärkreislaufs keine radialen Durchbrüche in der drucktragenden Ummantelung des Cores vorgesehen werden müssen und für den Anschluss des Primärkreislaufs an die Saug- und Druckseite einer Fördereinrichtung ein axialer Durchbruch, vorzugsweise in einer stirnseitigen Abdeckung, völlig ausreicht. Dadurch ergibt sich eine besonders einfache konstruktive Gestaltung der Core-Ummante-lung bei gleichzeitig vollständigem Einschluss des radioaktiven Inventars. Die Leitungen für das Wärmeträgermedium erfordern keine drucktragenden Elemente; sie können vollständig keramisch ausgebildet werden, wodurch sie sehr viel höheren Temperaturen im Vergleich zu metallischen Leitungen standhalten. Zudem ermöglicht die erfindungsgemässe Wärmetauscheranordnung auch im Störfall die passive Aufrechterhaltung der Umwälzung des Wärmeträgermediums durch freie Konvektion, wobei das ausserordentlich hohe Wärmeleitvermögen des Graphitmantels zu einer Temperaturstabilisierung auf niedrigem Niveau beiträgt, das selbst dann noch erhalten bleibt, wenn der oder die Wärmetauscher nur mit einem Querschnittsteil im Graphitmantel eingebettet sind. Kann der Wärmetauscher nicht mehr zur Wärmeabfuhr herangezogen werden, so führt der das Core umgebende Graphit die Nachzerfallswärme durch die Druckbehälterwand an die Umgebung ab. Somit können spezielle kostspielige Nachwärmeabfuhrsysteme ohne sicherheitstechnische Nachteile entfallen.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind im einen Seitenreflektor bildenden Graphit in Abständen vom Core, die kürzer sind als der Abstand zwischen dem Core und dem Wärmetauscher, Steuerelemente, d.h. Regel- oder Abschaltelemente, aufnehmende Kanäle vorgesehen.

Durch diese z.B. bei einem Hochtemperatur-Reaktor in Modul-Bauweise gemäss der DE-OS 3 016 402 an sich bekannte Anordnung von Kanälen für stabförmige Steuerelemente im Seitenreflektor ist vermieden, dass zur sicheren Abschaltung die als Absorber fungierenden Steuerelemente

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mit hohem Kraftaufwand unmittelbar in die Kugelschüttung eingebracht werden müssen und dadurch zusätzlichen Beanspruchungen unterliegen.

Um für eine ausreichende Einbettung eines Wärmetauschers in der Graphit-Ummantelung des Cores genügend Freiraum zu erhalten, ohne dass dazu die Querschnittsdi-mensionierung der Ummantelung über übliche Masse hinaus vergrössert werden muss, sieht eine weitere Ausgestaltung der Erfindung vor, dass der Querschnitt des Cores einem Ringsegment entspricht, das konzentrisch von einem aussen zylinderförmigen Mantel aus Graphit umgeben ist, welcher einen radial nach innen erweiterten Core-freien Abschnitt aufweist, in dem der Wärmetauscher eingebettet ist.

Die Querschnittsdimensionierung der Ummantelung lässt sich aber auch nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung dadurch in verhältnismässig engen Grenzen halten, dass der Querschnitt des Cores einem Rechteck entspricht, das konzentrisch von einem aussen zylinderförmigen Mantel aus Graphit umgeben ist und dieser Mantel auf zwei dem Core gegenüberliegenden Breitseiten je einen radial nach innen erweiterten Core-freien Kreisabschnitt aufweist, in dem jeweils mindestens ein Wärmetauscher eingebettet ist.

Schliesslich sieht eine Ausgestaltung der Erfindung noch vor, dass der Mantel aus Graphitteilen unterschiedlicher Qualität besteht, von denen die dem Core bis zu einem bestimmten Abstand benachbarten besondere Neutronenre-flektionseigenschaften und die vom Core weiter entfernten besondere Neutronenabsorptionseigenschaften besitzen.

Durch die erfindungsgemässe Verwendung von Graphitteilen unterschiedlicher Qualität und die beanspruchte Anordnung wird unter Beachtung einer kostengünstigen Materialauswahl für den Ummantelungswerkstoff eine optimale Abschirmung dadurch gewährleistet, dass die aus dem Core austretenden Neutronen zu einem verhältnismässig hohen Anteil wirksam reflektiert werden und ein verhältnismässig niedriger, nicht reflektierter Anteil ebenso wirksam absorbiert wird.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfin-dungsgemässen Hochtemperatur-Kernreaktors dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch den Reaktor;

Fig. 2 einen vertikalen Schnitt nach der Linie A-B der Fig. 1;

Fig. 3 bis 5 je einen horizontalen Schnitt nach den Linien C-D, E-F bzw. G-H der Fig. 1.

Ein in nahezu jedem Querschnitt im wesentlichen rechtek-kiges plattenförmiges Core 1 aus kugelförmigen Brennelementen, die in einer Graphitmatrix umhüllte Spaltstoffpartikel enthalten, ist ringsum von einem aussen zylindrischen s Seitenreflektor 2 umgeben, der unterhalb des Cores 1 in einen kreisförmigen Bodenreflektor 3 und oberhalb des Cores 1 in einen gleichfalls kreisförmigen Deckenreflektor 4 übergeht. Die Reflektoren 2,3 und 4 sind aus neben- und übereinander angeordneten Graphitblöcken zu einer aussen io zylinderförmigen Baueinheit zusammengesetzt.

Während im Deckenreflektor 4 konzentrisch ein kolbenförmiger Zentralstopfen 5 eingesetzt ist, befindet sich innerhalb des Bodenreflektors 3 gleichfalls in konzentrischer Anordnung eine sogenannte Säulenhalle 6.

Ein zylinderförmiger Kernbehälter 7 umschliesst die vorbeschriebene, auf einem bodenseitig angeordneten Kugellager 8 ruhenden Core-Einbauten.

Konzentrisch zur Säulenhalle 6 ist ein vom Core 1 vertikal 2# nach aussen führendes Kugelabzugsrohr 9 vorgesehen.

Auf einer Breitseite des plattenförmigen Cores 1 ist im Seitenreflektor 2 ein Wärmetauscher 10 eingebettet, der an eine Kalt- und Heisswasserleitung 11 angeschlossen ist, die Stränge eines Sekundärkreislaufs bilden. Der Wärmetauscher 10 wird von der Säulenhalle 6 aus durch einen Primärkreislauf beaufschlagt. Zu diesem gehört ein über dem Core 1 angeordnetes Gebläse 12, das, wie die in der Zeichnung eingetragenen Pfeile verdeutlichen, mit seiner Saugseite an einem Gasführungskanal 13 und mit seiner Druckseite am 30 Core 1 angeschlossen ist.

Über eine Brennelementenzugabe-Einrichtung 14, die unter einer Trennplatte 15 angeordnet ist, wird das Core 1 mit den kugelförmigen Brennelementen gleichmässig über seinen horizontalen Querschnitt beschickt. Um einem übermässigen Druckanstieg zwischen Ober- und Unterseite der Trennplatte 15 zu begegnen, ist aussermittig in der Trennplatte 15 eine Ausgleichsleitung 16 vorgesehen.

In Nähe der vertikalen Begrenzung des Cores 1 sind innerhalb des Seitenreflektors 2 Kanäle zur Aufnahme von Steuer-40 Stäben 17 vorgesehen, durch die sich in Abhängigkeit von ihrer Eindringtiefe die Neutronenabsorption bis zur Abschaltung des Reaktors steuern lässt.

Ein aus Ringschüssen aufgebauter zylindrischer Druckbehälter 18, verspannt durch Axialkabel 19 und Radialkabel 20, 45 schliesst den von aussen nur über ein im Behälterdeckel angeordnetes Mannloch 21 zugänglichen Hochtemperatur-Kernreaktor vollständig ein.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

671 111 PATENTANSPRÜCHE

1. Hochtemperatur-Kernreaktor mit einem Druckbehälter (18), in dem ein von Graphit ummanteltes Core (1) und mindestens ein Wärmetauscher (10) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (10) in einem Parallelabstand zum Core (1) im Graphit eingebettet ist.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Graphit in Abständen vom Core (1), die kürzer sind als der Abstand zwischen dem Core (1) und dem Wärmetauscher (10), Steuerelemente (17) aufnehmende Kanäle vorgesehen sind.

3. Reaktor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Cores (1) einem Ringsegment entspricht, das konzentrisch Von einem aussen zylinderförmigen Mantel aus Graphit umgeben ist und dieser Mantel einen radial nach innen erweiterten Core-freien Abschnitt aufweist, in dem der Wärmetauscher (10) eingebettet ist.

4. Reaktor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Cores (1) einem Rechteck entspricht, das konzentrisch von einem aussen zylinderförmigen Mantel aus Graphit umgeben ist und dieser Mantel auf zwei dem Core (1) gegenüberliegenden Breitseiten je einen radial nach innen erweiterten Core-freien Kreisabschnitt aufweist, in dem jeweils mindestens ein Wärmetauscher eingebettet ist.

5. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel aus Graphitteilen unterschiedlicher Qualität besteht, von denen die dem Core (1) bis zu einem bestimmten Abstand benachbarten besondere Neu-tronenreflektionseigenschaften und die vom Core (1) weiter entfernten besondere Neutronenabsorptionseigenschaften besitzen.