CH672965A5

CH672965A5 -

Info

Publication number: CH672965A5
Application number: CH2029/87A
Authority: CH
Inventors: Josef Dr Schoening; Hermann Schmitt
Original assignee: Hochtemperatur Reaktorbau Gmbh
Priority date: 1986-06-27
Filing date: 1987-05-26
Publication date: 1990-01-15
Also published as: DE3621516C2; CN1010139B; DE3621516A1; US4761260A; JPS639889A; CN1030322A; TR22893A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Kernkraftwerk mit einem zylin-lo drischen Spannbetondruckbehälter, der eine mit einem Liner ausgekleidete Kaverne aufweist, mit einem Hochtemperaturreaktor, dessen Kern von einer von oben nach unten von Helium als Kühlgas durchströmten Schüttung kugelförmiger Brennelemente gebildet wird und der einen die Kugelschüttung allseitig i5 umgebenden Graphitreflektor sowie in die Kugelschüttung und in den seitlichen Graphitreflektor einfahrbare Absorberstäbe aufweist, mit oberhalb der Kugelschüttung befindlichen Zugaberohren für die kugelförmigen Brennelemente und einem im Bodenteil des Graphitreflektors vorgesehenen Kugelabzugsrohr 20 sowie mit in der Kaverne angeordneten Wärmetauschern und diesen nachgeschalteten Umwälzgebläsen für das Helium.

Ein derartiges Kernkraftwerk ist aus der DE-OS 3 344 527 bekannt. Es ist mit einer grösseren Anzahl von Dampferzeugern bestückt, die um den zentral angeordneten Reaktor herum 25 gruppiert sind. Die gewonnene Wärme wird vornehmlich in mehreren sekundären Wasser-Dampf-Kreisläufen zur Stromerzeugung ausgenutzt. Das Kernkraftwerk liefert eine Leistung von ca. 300 bis 600 MWel.

Bekannt ist ferner ein Hochtemperaturreaktor mit kugel-30 förmigen Brennelementen, der besonders geeignet ist zur Erzeugung von Wärmeenergie für Heizzwecke und der eine Leistung von 10-20 MWth hat. Bei diesem sogenannten Heizreaktor, der in der deutschen Patentanmeldung P 3 518 968.1 beschrieben ist, kann auf aktive Betriebseinrichtungen wie Beschickungsan-35 läge, Regelsysteme und Sicherheitssysteme weitgehend verzichtet werden. Der Reaktor ist in einem unterirdisch installierten Stahlbetonbehälter angeordnet. Infolge seines geringen Wartungsaufwandes ist er für den Einsatz in wenig industrialisierten und schwach besiedelten Gebieten geeignet, die einen niedrigen 40 Wärmeenergiebedarf haben. Wird eine höhere Leistung gefordert, z.B. für den Bedarf grosser Wärmenetze für die Nah- und Fernversorgung, so stösst eine Vervielfachung des Heizreaktors jedoch an wirtschaftliche Grenzen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Kern-45 kraftwerk der eingangs beschriebenen Bauart mit vereinfachtem Aufbau für eine Leistungsgrösse von ca. 50 bis 300 MWth zu schaffen, das für die Auskopplung von Wärme für ein Versorgungsnetz geeignet ist und das sich bei Einhaltung aller Sicherheitsanforderungen wirtschaftlich betreiben lässt.

so Gemäss der Erfindung ist die Lösung dieser Aufgabe durch die folgenden Merkmale gekennzeichnet:

a) der Hochtemperaturreaktor ist aussermittig in der Kaverne angeordnet;

b) mindestens zwei Wärmetauscher, denen je ein Umwälz-55 gebläse zugeordnet ist, sind parallel zueinander neben dem

Hochtemperaturreaktor in der Kaverne installiert, wobei sie in bezug auf den Hochtemperaturreaktor in der Höhe nach oben versetzt sind;

c) jeder Wärmetauscher ist sekundärseitig an einen mit

60 Wasser betriebenen Zwischenkreislauf angeschlossen, der ausserhalb des Spannbetondruckbehälters einen Zwischenwärmetauscher sowie eine Umwälzpumpe umfasst;

d) die Wärmetauscher sind zugleich für die betriebliche Wärmeauskopplung über die Zwischenkreisläufe und für die

65 Abfuhr von Nachwärme vorgesehen;

e) jedem Zwischenkreislauf ist ein bei Normabetrieb abgesperrter Hilfskreislauf parallelgeschaltet, der ein Rückkühlsystem enthält.

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Bei dem vorgeschlagenen Kernkraftwerk (Heizwerk), das nur für die Gewinnung von Wärme konzipiert ist und nicht der Stromerzeugung dient, ist durch das Vorhandensein mindestens zweier Wärmetauscher sichergestellt, dass eine ausreichende Verfügbarkeit gegeben ist. Durch die Hochsetzung der Wärmetauscher ist zudem die Möglichkeit geschaffen, dass bei Ausfall der Umwälzgebläse die Wärme durch Naturkonvektion abgeführt werden kann.

Des weiteren zeichnet sich das erfindungsgemässe Kernkraftwerk durch einen einfachen Aufbau und eine einfache Bedienung sowie durch eine hohe Wirtschaftlichkeit aus. Dabei weist es alle Vorteile auf, die einem Hochtemperaturreaktor innewohnen (negativer Temperatur- und Leistungskoeffizient, Verwendung von Helium als Kühlmittel, niedriges Verhältnis von Leistungsdichte/Wärmekapazität, hohe Temperaturbeständigkeit der Kerneinbauten und der Brennelemente, niedrige Freisetzungsrate an Spaltprodukten).

Das Kernkraftwerk eignet sich besonders für eine Leistungsgrösse von 125 bzw. 250 MWth. Es ist jedoch flexibel in bezug auf die Leistungsgrösse, so dass es auch für einen höheren oder niedrigen Leistungsbedarf eingesetzt werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen sowie der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen zu entnehmen. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Figur 1 ein Kreislaufschema für das erfindungsgemässe Kernkraftwerk (Heizwerk),

Figur 2 einen Vertikalschnitt nach der Linie II-II der Figur 3 durch den in dem Spannbetondruckbehälter angeordneten Teil des Kernkraftwerks,

Figur 3 einen Horizontalschnitt nach der Linie III-III der Figur 2 und

Figur 4 eine detaillierte Darstellung der in der Figur 1 schematisch gezeigten Gebäudeeinschliessung des Kernkraftwerks.

Wie die Figur 1 erkennen lässt, sind in einem zylindrischen Spannbetondruckbehälter 1 ein von oben nach unten von Helium als Kühlgas durchströmter Hochtemperaturreaktor 2 sowie zwei in dem Heliumkreislauf liegende Wärmetauscher 3 angeordnet, denen je ein Umwälzgebläse 4 nachgeschaltet ist. An jeden der beiden Wärmetauscher 3 schliesst sich sekundärseitig ein mit Wasser betriebener Zwischenkreislauf 5 an, dessen Komponenten — ein Zwischenwärmetauscher 6 und eine Umwälzpumpe 7 — ausserhalb des Spannbetondruckbehälters 1 liegen. An die Sekundärseite jedes Zwischenwärmetauschers 6 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein Versorgungsnetz für Nahoder Fernwärme angekoppelt. Die aus dem Reaktor 2 abgeführte Wärme kann aber auch zur Erzeugung von Prozessdampf genutzt werden.

Jeder Wärmetauscher 3 ist zugleich für die betriebliche Wärmeauskopplung und für die Abfuhr von Nachwärme vorgesehen. Hierzu ist das Kernkraftwerk mit zwei Hilfskreisläufen 8 ausgerüstet, die jeweils einem der beiden Zwischenkreisläufe 5 parallelgeschaltet sind. Bei Normalbetrieb sind die beiden Hilfskreisläufe 8 je durch eine Absperrarmatur 9 abgesperrt. Jeder Hilfskreislauf 8 enthält ein Rückkühlsystem 10, das aus einem mit Wasser gefüllten Hochbehälter 11, einem Hilfswärmetauscher 12, einer Umwälzpumpe 13 und einem Nasskühlturm 14 besteht. Durch einen weiteren Kreislauf 15 ist der Nasskühlturm 14 mit dem in dem Hochbehälter 11 angeordneten Hilfswärmetauscher 12 verbunden. Ferner ist jeder Hochbehälter 11 mit einer Abblaseleitung 16 ausgerüstet, in welcher sich ein Überdruckventil 17 befindet.

Die Wärmekapazität jedes der beiden Rückkühlsysteme 10 ist so ausgelegt, dass ein Rückkühlsystem ausreicht, um die in allen Betriebs- und Störfällen anfallende Wärme abzuführen. Jeder der beiden Hochbehälter 11 kann eine solche Wassermenge aufnehmen, dass über mehrere Stunden die Wärmeabfuhr allein durch Verdampfung, also ohne Rückkühlung durch den Hilfswärmetauscher 12, möglich ist.

Alle Komponenten des Kernkraftwerks mit Ausnahme der Nasskühltürme 14 sind bei diesem Ausführungsbeispiel von s einem Reaktorschutzgebäude 18 umschlossen.

In den Figuren 2 und 3 ist im Detail der innerhalb des Spannbetondruckbehälters 1 befindliche Teil des Kernkraftwerks dargestellt, der in einer grossen Kaverne 19 installiert ist. Diese ist mit einem metallischen Liner 20 ausgekleidet. Der Liner 20 weist io ein Kühlsystem 21 auf, wie in den Figuren in einem Teilbereich angedeutet. Dieses Kühlsystem ist derart ausgelegt, dass mit ihm die gesamte Nachwärme abgeführt werden kann. In dem Deckenteil des Spannbetondruckbehälters 1 befinden sich zwei je mit einem Deckel 23 verschlossene Durchführungen 22, in denen 15 jeweils eins der beiden Umwälzgebläse 4 installiert ist.

Der Hochtemperaturreaktor 2 ist aussermittig in der Kaverne 19 angeordnet, wie die Figur 3 zeigt. Die beiden Wärmetauscher 3 sind parallel zueinander neben dem Hochtemperaturreaktor 2 aufgestellt bzw. aufgehängt. Dabei sind sie in bezug auf 20 die Höhe des Reaktorkerns nach oben versetzt. Dies hat den Vorteil, dass bei Ausfall der Umwälzgebläse 4 eine Abfuhr der Wärme durch Naturkonvention möglich ist.

Über eine Zuführungsleitung 24 und eine Abführungsleitung 25 für das Sekundärmedium ist jeder Wärmetauscher 3 mit sei-25 nem ausserhalb des Spannbetondruckbehälters 1 befindlichen Zwischenkreislauf 5 verbunden. Das heisse Helium wird den Wärmetauschern 3 durch je eine Gasführung 26 von unten zugeführt. Durch Gasleiteinrichtungen 27 wird das abgekühlte und in den Umwälzgebläsen 4 verdichtete Helium dem Hoch-30 temperaturreaktor 2 von unten wieder zugeleitet.

Der Kern des Hochtemperaturreaktors 2 besteht aus einer Schüttung 28 von kugelförmigen Brennelementen, die allseitig von einem Graphitreflektor 29 umschlossen ist. Dieser wiederum ist von einem thermischen Schild 30 umgeben. Der Boden-35 teil des thermischen Schildes 30 stützt sich über eine Vielzahl von Lagern 31 auf dem Bodenteil des Spannbetondruckbehälters 1 ab. Unterhalb des Bodenteils des Graphitreflektors 29 befindet sich ein Heissgassammelraum 32, an den sich die Gasführungen 26 anschliessen. Das kalte, verdichtete Helium tritt 40 durch Öffnungen im thermischen Schild 30 in einen von diesem Schild und dem seitlichen Teil des Graphitreflektors 29 gebildeten Ringraum 33, in dem es nach oben zu einem Kaltgassam-melraum 34 strömt.

Für die Beschickung der Schüttung 28 mit Brennelementen 45 sind oberhalb des Kerns mehrere Zugaberohre vorgesehen (nicht dargestellt). Das Abziehen der Brennelemente aus der Schüttung 28 erfolgt über ein Kugelabzugsrohr 35, das sich durch den Bodenteil des Graphitreflektors 29 sowie durch den Spannbetondruckbehälter 1 erstreckt. Die Beschickung erfolgt vor-50 zugsweise in der Art, dass die Brennelemente nach einmaligem Durchlaufen der Schüttung 28 ihren Endabbrand erreicht haben; d.h. sie werden nur einmal in den Reaktort eingegeben.

Ein Kernreaktor mit Einmaldurchlaufverfahren der Brennelemente ist beispielsweise aus der DE Offenlegungsschrift 55 2 123 894 der Anmelderin bekannt.

Für die Abschaltung und Regelung verfügt der Hochtemperaturreaktor 2 über zwei verschiedene Systeme. Das eine System besteht aus direkt in die Schüttung 28 einfahrbaren Kernstäben 36, die oberhalb des Deckenteils des Graphitreflektors 29 in 60 Rohren 37 geführt sind; die Kernstäbe 36 sind für die Langzeitabschaltung vorgesehen. Das zweite System dient der Regelung und Schnellabschaltung des Hochtemperaturreaktors 2. Es umfasst sogenannte Reflektorstäbe 38, d.h. in Bohrungen des seitlichen Graphitreflektors bewegbare Absorberstäbe, wie in der 65 Figur 2 angedeutet.

Die Figur 4 zeigt detailliert die in der Figur 1 schematisch dargestellte Umschliessung des Kernkraftwerks mit einem Reaktorschutzgebäude. Der Hochtemperaturreaktor 2 und die

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Wärmetauscher 3 sind wieder nebeneinander in der einzigen Kaverne 19 des Spannbetondruckbehälters 1 installiert. Alle Gebäude, die keine wichtigen Systeme enthalten, sind in konventioneller Bauweise ausgeführt. Hierzu gehört die Reaktorhalle 39, in der ein auf Schienen 40 laufender Kran 41 für Montage- s und Demontagearbeiten vorgesehen ist. Ein weiteres Gebäude

42 dieser Bauweise kann einen Werkstatt- oder Betriebsraum enthalten. Wichtige Systeme wie die Zwischenkreisläufe 5 und die Hilfskreisläufe 8 sind durch eine Bunkerung 43 gegen Einwirkungen von aussen geschützt. Die den Spannbetondruckbehälter 1 und diese Systeme enthaltenden Anlagenteile sind teilweise unter der Erdoberfläche 44 installiert.

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3 Blätter Zeichnungen

Claims

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1. Kernkraftwerk mit einem zylindrischen Spannbetondruckbehälter, der eine mit einem Liner ausgekleidete Kaverne aufweist, mit einem Hochtemperaturreaktor, dessen Kern von einer von oben nach unten von Helium als Kühlgas durchströmten Schüttung kugelförmiger Brennelemente gebildet wird und der einen die Kugelschüttung allseitig umgebenden Graphitreflektor sowie in die Kugelschüttung und in den seitlichen Graphitreflektor einfahrbare Absorberstäbe aufweist, mit oberhalb der Kugelschüttung befindlichen Zugaberohren für die kugelförmigen Brennelemente und einem im Bodenteil des Graphitreflektors vorgesehenen Kugelabzugsrohr sowie mit in der Kaverne angeordneten Wärmetauschern und diesen nachgeschalteten Umwälzgebläsen für das Helium, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) der Hochtemperaturreaktor (2) ist aussermittig in der Kaverne (19) angeordnet;

b) mindestens zwei Wärmetauscher (3), denen je ein Umwälzgebläse (4) zugeordnet ist, sind parallel zueinander neben dem Hochtemperaturreaktor (2) in der Kaverne (19) installiert, wobei sie in bezug auf den Hochtemperaturreaktor (2) in der Höhe nach oben versetzt sind;

c) jeder Wärmetauscher (3) ist sekundärseitig an einen mit Wasser betriebenen Zwischenkreislauf (5) angeschlossen, der ausserhalb des Spannbetondruckbehälters (1) einen Zwischenwärmetauscher (6) sowie eine Umwälzpumpe (7) umfasst;

d) die Wärmetauscher (3) sind zugleich für die betriebliche Wärmeauskopplung über die Zwischenkreisläufe (5) und für die Abfuhr von Nachwärme vorgesehen;

e) jedem Zwischenkreislauf (5) ist ein bei Normalbetrieb abgesperrter Hilfskreislauf (8) parallelgeschaltet, der ein Rückkühlsystem (10) enthält.

2. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Rückkühlsystem (10) einen in dem Hilfskreislauf (8) liegenden, mit Wasser gefüllten Hochbehälter (11), einen mit dem Hochbehälter (11) in Wärmeaustausch stehenden Hilfswärmetauscher (12) sowie einen über einen weiteren Kreislauf (15) mit dem HilfsWärmetauscher (12) verbundenen Nass-kühlturm (14) umfasst.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Kernkraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekapazität der Rückkühlsysteme (10) derart ausgelegt ist, dass ein Rückkühlsystem (10) in allen Betriebsund Störfällen die Wärme abführen kann.

4. Kernkraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Hochbehälter (11) eine mit einem Überdruckventil (17) versehene Abblaseleitung (16) aufweist.

5. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Ankoppeln eines Versorgungsnetzes für Nah- und Fernwärme an die Sekundärseite jedes Zwischenwärmetauschers vorgesehen sind.

6. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Auskoppeln von Prozessdampf aus dem Kernkraftwerk über die Sekundärseite jedes Zwischenwärmetauschers vorgesehen sind.

7. Kernkraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannbetondruckbehälter (1) sowie die Komponenten der Zwischen- und der Hilfskreisläufe (5, 8) mit Ausnahme der Nasskühltürme (14) von einem Reaktorschutzgebäude (18) umschlossen sind.

8. Kernkraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wichtige Systeme des Kernkraftwerks, wie z.B. die Zwischen- und Hilfskreisläufe (5, 8), verbunkert sind, während die übrigen Anlagenteile in Gebäuden (39, 42) in konventioneller Bauweise untergebracht sind.

9. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (21) des Kavernenliners (20) derart ausgelegt ist, dass mit ihm die gesamte Nachwärme abgeführt werden kann.

10. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturreaktor (2) so ausgebildet ist, dass er im Einmaldurchlaufverfahren mit Brennelementen beschickt werden kann.