DE1464939C - Gasgekuhlter Atomkernreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen gasgekühlten Atomkernreaktor, dessen Spältzone allseitig von einem thermischen Schild und in Abstand von diesem von einem Hochdruckbehälter umschlossen ist, mit an den vom thermischen Schild umschlossenen Raum angeschlossenen Zu- und Ableitungen für das die Spaltzone durchströmende Kühlgas und einer an den Zwischenraum zwischen Hochdruckbehälter und thermischem Schild angeschlossenen Saugleitung für das Gas in dem Zwischenraum, wobei das in der Spaltzone erhitzte Kühlgas, über die Ableitungen der Spaltzone, außerhalb des Hochdruckbehälters angeordneten Wärmetauschern und von da über Umwälzgebläse und die Zuleitungen zur Spaltzone derselben wieder zugeführt wird.

Bei gasgekühlten Reaktoren höhet Leistungsdichte, insbesondere bei schnellen Reaktoren, steht das Kühlmittel unter hohem Betriebsdruck. Wird der Druckbehälter undicht, so strömt das Kühlmittel mit hoher Geschwindigkeit aus dem Behälter aus. Dieser sogenannte »Kühlmittelverlust« ist als Unfallursache sehr gefürchtet, da der Reaktor hierbei durch Kühlungsausfall unter Umständen schmilzt.. Zumindest bei schnellen Reaktoren kann allein die Nachwärme so groß sein, daß sie unter Atmosphärendruck vom Kühlmittel nicht abgeführt werden kann. Wenn das Kühlsystem undicht wird, muß deshalb auch nach der Schnellabschaltung noch ein Mindestdruck von etwa 10 % des Betriebsdrucks im Reaktor aufrechterhalten werden. Wird nun zum Auffangen des Druckes eine zweite Druckschale um das Primärsystem gelegt, so werden dadurch die Baukosten der Anlage stark erhöht. Wirtschaftlich günstiger ist es, nur eine der beiden Druckschalen auf vollen Betriebsdruck auszulegen. Die zweite Druckschale soll dann lediglich dem zum Abführen der Nachwärme nötigen Notkühldruck standhalten können, d. h. sie kann verhältnismäßig dünn und relativ billig sein. Im allgemeinen ordnet man sie um den Hochdruckbehälter herum an. Der Zwischenraum ist dann während des normalen Betriebs fast drucklos und eventuell sogar begehbar. Wird nun der Hochdruckbehälter undicht, so hält der äußere Behälter den Druck auf dem für die Notkühlung notwendigen Niveau. Um das hierfür nötige große Volumen der .äußeren Schale zu reduzieren, kann man bei kleineren Undichtigkeiten das Kühlgas im Auffangbehälter abpumpen, bei großen Lecks in die Atmosphäre abblasen. Bei dieser verhältnismäßig billigen Ausführungsart kann jedoch die Kühlung der Spaltzone praktisch schlagartig ausfallen, wenn die Kühlmittelführung vom Gebläse zur Spaltzone plötzlich undicht wird. Das bei dem meist herrschenden überkritischen Druck sofort mit* Schallgeschwindigkeit ausströmende Gas geht dann nämlich für die Kühlung verloren. Unter Umständen fällt die Kühlung sogar so kurzfristig aus, daß die Spaltzone niederschmelzen kann. Dann kann die Spaltzone aber auch durch Schnellabschaltung des Reaktors nicht mehr vor der Zerstörung bewahrt werden. Die zweite Druckschale bleibt in diesem Falle somit ohne Wirkung, d. h., es ergeben sich im Prinzip die gleichen Verhältnisse wie bei den gasgekühlten Reaktoren bekannter Bauart (Calder Hall), wo von vornherein auf eine zweite Druckschale verzichtet wird. Allerdings' führt dort infolge der geringen Leistungsdichte und der sehr hohen Wärmekapazität des Reaktorkerns ein solcher Unfall lediglich zu einer zwar, unerwünschten, aber bei sorgfältiger Auslegung noch beherrschbaren Überhitzung der Spaltzone. .

Es ist nun ein gasgekühlter Kernreaktor bekannt (deutsche Aüslegeschrift 1086 818), bei welchem die Spaitzone von einem Hochdruckbehälter umgeben ist, aus dem das Kühlgas durch Gebläse getrennt angeordneten Wärmetauschern zugeführt wird.;, Der Reaktor weist darüber hinaus einen die innere Oberfläche des Druckbehälters im Bereich des eintretenden Kühlgases praktisch abdeckenden Innenmantel auf, wobei der Zwischenraum mit der Saugseite eines Gebläses in Verbindung steht. Dieser Zwischenraum dient jedoch ausschließlich zur Führung des Kühlmittels und ist daher mit einem Wärmetauscher verbunden. Bei dieser Konstruktion hat jedoch eine starke ■ Undichtigkeit des Druckbehälters z. B. in dem Bereich, den das Kühlmittel vor Erreichen der Spaltzone durchströmt, einen sofortigen Ausfall der Spaltzonenkühlung zur Folge.

ao Aufgabe der Erfindung ist es nun, einen Kernreaktor zu schaffen, bei dem das Kühlmittel innerhalb des Hochdruckbehälters so geführt wird, daß es selbst bei Auftreten eines Lecks im Behälter weitgehend noch durch die Spaltzone strömt, d. h. daß ein Ausfall der Spaltzonenkühlung möglichst verhindert werden soll. Dabei soll jedoch die eingangs erwähnte Konzeption, daß der als thermischer Schild dienende innere Mantel nicht für denselben hohen Druck wie der äußere Druckbehälter ausgelegt werden muß, erhalten bleiben.

4Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Saugleitung für das Kühlgas im Zwischenraum zwischen dem Hochdruckbehälter und dem thermischen Schild mit dem Ansaugraum von wenigstens einem der Umwälzgebläse, in den auch die Austrittsleitung des zugehörigen Wärmetauschers mündet, in unmittelbarer Verbindung steht. Dabei besteht der thermische Schild aus mehreren ineinanderliegenden Behältern mit konzentrisch ineinanderliegenden miteinander in Verbindung stehenden Zwischenräumen, von denen mindestens einer mit der Ansaugseite des Umwälzgebläses in Verbindung steht. Hierbei ist. zweckmäßigerweise der äußerste Zwischenraum mit dem Ansaugraum des Umwälzgebläses verbunden. Weiterhin sind an den Behältern zu ihrer und des Hochdruckbehälters Kühlung an einer entfernt von der Saugleitung für das Gas in den Zwischenräumen zwischen Hochdruckbehälter und thermischem Schild liegenden Stelle Drossel-Öffnungen für das Einströmen von Kühlgas in die Zwischenräume vorgesehen. Letztlich ist die von der Spaltzone zum Wärmetauscher führende Ableitung zentrisch in der das Kühlgas vom Umwälzgebläse zum Reaktor führenden Leitung angeordnet und mantelförmig um beide Leitungen mit Abstand als Verbindungskanal des Zwischenraums mit dem Ansaugraum eine weitere Leitung gelegt.

Der Innenbehälter muß dabei keine hohen Drücke aushalten. Im normalen Betrieb ist er lediglich hochstens von einem dem Druckzuwachs des Kühlgases im Umwälzgebläse entsprechenden Druck beaufschlagt, er kann also relativ dünnwandig sein. Er muß schließlich nicht einmal gasdicht sein, so daß er leicht aufgebaut werden kann und auch die Durchfuhrungen

Sg für die Belademaschine und die Regelstäbe keine Schwierigkeiten bereiten. Eine kleine Leckrate ist sogar erwünscht, weil dadurch die Wand des Hochdruckbehälters gekühlt wird.

Von besonderer Bedeutung ist es auch, daß als Reaktor strömt, in der kühleren Zuführleitung 12 innerer Behälter der thermische Schild benutzt wer- liegt.

den kann, der bei schnellen Brütern zum Schütze der Es ist dies aber nicht die einzige Möglichkeit, die

Behälterwand auf jeden Fall eingebaut werden muß. Vorteile, die sich aus der vorliegenden Erfindung er-Dieser besteht in seiner normalen Bauweise bereits 5 geben, auszunutzen. An Hand der Fig. 2 wird daher aus mehreren Lagen starker Stahlbleche mit dazwi- ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem das schenliegenden Kühlplatten. Die Bleche müssen also Kühlgas über der Spaltzone in den Reaktordrucknur noch so gestaltet und miteinander verbunden behälter 21 hineingeführt wird und ihn durch öffnunwerded, daß sie zusammen ein geschlossenes Gefäß gen unterhalb der Spaltzone verläßt Dabei durchbilden, daß noch durch einen gasdichten Kanal mit io strömt es die Spaltzone 22 und Brutzone 23 parallel, dem Gebläse verbunden ist. Bei dieser Ausbildung Durch die Austrittsleitung 27 wird es dem Wärmekann für die Kühlung der Außenwand des Hoch- tauscher 30 zugeführt und dann vom Umwälzgebläse druckbehälter des thermischen Schildes und der durch die Druckleitung wieder in den Reaktor gebla-Tragkonstruktion der volle Förderdruck des Umwälz- sen. Auch bei dieser Anordnung ist der thermische gebläses eingesetzt werden. Die dabei entstehenden 15 Schirm 24 innerhalb des Druckbehälters 21 zu einem Kurzschlußverluste sind unbedeutend. geschlossenen Behälter zusammengefaßt, der zwischen

Einzelheiten der Erfindung werden in den Fig. 1 sich und dem Druckbehälter 21 einen Spaltraum 25 und 2 näher erläutert: frei läßt. Ein Teil des Kühlmittelstromes tritt durch

Fi g. 1 zeigt eine Reaktoranlage gemäß der Erfin- die Drosselöffnung 26 in den Spaltraum 25 ein und dung und ao durchströmt zur Kühlung des Druckbehälters 21 und

F i g. 2 ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel derselben. des thermischen Schildes 24. Über den Ringraum 28

In der Reaktoranlage nach der Fig. 1 bestehen zwischen Austrittsleirung 27 und Druckleitung 29 die zwei Druckschalen 1 und 2, die lediglich den Not- strömt es durch den Ringkanal 31 zwischen Wärmekühldruck aufnehmen sollen, sowohl für den Reaktor . austauscher 30 und Druckschale 32 dem Ansaugraum selbst als auch für die um ihn herum angeordneten as 33 des Umwälzgebläses 34. Durch eine druckfeste Wärmetauscher aus Spannbeton. In der Druckschale I Zwischen!ühningsleitung 35 wird das Kühlgas dann befindet sich der Hochdruckbehälter 3, der die Spalt- wieder in den Reaktorbehälter hineingeblasen. Auch zone 4 mit der sie umgebenden Brutzone 5 umschließt bei dieser Anordnung steht der Spaltraum 25 in freier An seinem Ende besitzt der Behälter 3 einen rohr- Verbindung mit dem Ansaugraum 33 vor der Umförmigen Ansatz 7, der die Belademaschine aufneh- 30 wälzpumpe, so daß auch das Kühlgas durch die Spaltmen soll. Der thermische Schild 6, der den Hoch- zone strömen muß, bevor es durch ein Leck aus dem druckbehälter 3 gegen die aus der schnellen Spaltung Reaktordruckbehälter ins Freie treten kann. Um auch kommende Strahlung schützen soll, ist zu einem bei starkem Druckabfall vor der Umwälzpumpe oder durchgehenden, aus mehreren Lagen bestehenden beim Ausfall einer Umwälzpumpe zu verhindern, daß inneren Behälter 6 ausgestaltet. Bei der Ausführung 35 Kühlgas aus dem Reaktor durch die Pumpe zurückgemäß Fig. 1 durchströmt das vom Umwälzgebläse strömt, ist in der Kühlmittelzuleitung zum Reaktor .kommende Kühlgas zunächst die ringförmige Brut- ein Rückschlagventil 36 angeordnet. Ein gleiches zone 5 und dann die Spaltzone 4. Ein kleiner Teil des Rückschlagventil 37 kann natürlich auch in die Aus-Kühlgasstroms dringt durch die z. B. gleichzeitig zum trittsleitungen U bzw. 27 eingebaut sein. Bei einer Einführen der Belademaschine vorgesehenen öffnun- 40 Weiterbildung der Erfindung steht der Raum zwischen gen 8 und durch die übrigen undichten Stellen im Innen- und Druckbehälter nur bei einem Teil der um inneren Behälter 6 in den Raum 9 zwischen ihm und den Reaktor herum angeordneten Wärmetauscher mit dem äußeren Druckbehälter 3 und strömt durch den - dem Ansaugraum vor der Umwälzpumpe in Verbin-Verbindungskanal 10 zur Ansaugseite 17 des Kühl- dung. Dabei ist es vorteilhaft, diese Verbindung nur gebläses 16. Durch diesen Nebenstrom wird der ther- 45 etwa bei der Hälfte der Wärmetauscher vorzusehen, mische Schild und der Druckbehälter gekühlt. Der Wenn nun der Druck im Ansaugraum des Umwälz-Hauptstrom des Kühlgases durchströmt die Spalt- gebläses durch ein großes Leck im Druckbehälter zone 4 und wird dann durch eine Rohrleitung 11, die sehr stark abfällt, ist es nämlich unter Umständen vorzugsweise zentral in der das Kühlgas zur Spalt- möglich, daß das Gebläse kein Kühlgas mehr fördert, zone führenden Leitung 12 liegt, in einen Wärme- 50 In diesem Fall wird die Spaltzone noch durch die tauscher geleitet. Durch den Spalt 14 zwischen Wärme- Kühlumwälzpumpen voll gekühlt, bei denen der Antauscher 13 und Druckbehälter 15 strömt Kühlgas saugraum mit dem Zwischenraum zwischen Innenzum Gebläse 16 zurück. Durch diese Ausbildung* be- und Druckbehälter nicht in Verbindung steht,
sitzt der Zwischenraum 9 zwischen dem Druckbehäl- Grundsätzlich müssen die Schirme die innere Ober-

ter3 und dem inneren Behälter 6 eine zum Ansaug- 55 fläche des Druckbehälters mindestens im Bereich des raum 17 vor dem Gebläse führende freie Verbindung. eintretenden Kühlgases praktisch vollkommen ab-Die öffnungen 8 sind als Drosselsteilen ausgebildet, decken. In Reaktoren, bei denen der Druckbehälter so daß nur wenig Kühlgas sie durchströmen kann. im Spaltzonenbereich durch Metallschirme abge-Wnd der Druckbehälter 3 an irgendeiner Stelle un- schirmt ist, kann deshalb einer der Schirme oder mehdicht, so muß praktisch alles aus der Leckstelle aus- 60 rere auf der Druckseite zu den Druckbehältern abströmende Kühlgas aus dem Ansaugraum 17 zur Leck- deckenden Innenbehältern erweitert und der Zwistelle strömen. Das bedeutet aber, daß es zuerst die schcnraum zwischen Behältern über eine Verbin-Spaltzone und sogar noch den Wärmeaustauscher dungsleitung mit der Ansaugscite des Umwälzgeblädurchströmen muß, um zur Leckstelle zu kommen. ses verbunden werden. Grundsätzlich ist als Ansaug-Die in der F i g. 1 angegebene Verbindung zwischen 65 sehe der Bereich niederen Druckes zwischen Spalt-Reaktor und Wärmeaustauscher mittels konzentri- zone und Umwälzgebläsc zu betrachten. Besonders scher Rohre ist besonders vorteilhaft, weil die Rohr- vorteilhaft ist es, wenn die Zwischenräume zwischen leitung 11, in der das erhitzte Kühlgas aus dem den Behältern mit dem Ansaugraum unmittelbar vor

dem Umwälzgebläse in Verbindung stehen, weil das Kühlgas dort die tiefste Temperatur und den niedrigsten Druck aufweist

Der Vollständigkeit halber wird noch darauf hingewiesen, daß im Sinne der Erfindung als Kühlgas jedes kompressible Kühlmittel, also auch Dampf betrachtet wird. "·. ■■-:■·■

Die wesentlichen, mit der Erfindung verbundenen Vorteile bestehen darin, daß bei Auftreten eines Lecks oder einer Bruchstelle am Hochdruckbehälter die Kühlmittelströmung in der Spaltzone aufrechterhalten bleibt, ohne daß der innere thermische Schild druckfest ausgelegt zu werden braucht Damit wird, neben einer erheblich verbesserten Sicherheit auch ein wirtschaftlicher Betrieb der Reaktoranlage ermög- *5 licht.

Claims (5)

Patentansprüche: .

1. Gasgekühlter Atomkernreaktor, dessen Spaltzone allseitig von einem thermischen Schild ao und in Abstand von diesem von einem Hochdruckbehälter umschlossen ist, mit an den vom thermischen Schild umschlossenen Raum angeschlossenen Zu- und Ableitungen für das die , Spaltzone durchströmende Kühlgas und einer an as den Zwischenraum zwischen Hochdruckbehälter und thermischem Schild angeschlossenen Saugleitung für das Gas in dem Zwischenraum, wobei ..*., das in der Spaltzone erhitzte Kühlgas, über die Ableitungen der Spaltzone, außerhalb des Hochdruckbehälter angeordneten Wärmetauschern . und von da über Umwälzgebläse und die Zuleitungen zur Spaltzone derselben wieder zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugleitung (10) für das Gas im Zwischenraum zwischen dem Hochdruckbehälter (3) und dem thermischen Schild mit dem Ansaugraum (17) von wenigstens einem der Umwälzgebläse (16), in den auch die Austrittsleitung des zugehörigen Wärmetauschers (13) mündet, in unmittelbarer Verbindung steht.
.

2. Gasgekühlter Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Schild aus mehreren ineinanderliegenden Behältern (6) mit konzentrisch ineinanderliegenden, miteinander in Verbindung stehenden Zwischenräumen (9) gebildet ist, von denen mindestens einer mit der Ansaugseite (17) des Umwälzgebläses (16) in Verbindung steht.

3. Gasgekühlter Atomkernreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der äußerste Zwischenraum mit dem Ansaugraum (17) des Umwälzgebläses (16) verbunden ist.

4. Gasgekühlter Atomkernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Behältern (6) zu ihrer und des Hochdruckbehälters (3) Kühlung, an einer entfernt von der Saugleitung (10) für das Gas in den Zwischenräumen (9) zwischen Hochdruckbehälter (3) und thermischem Schild, liegenden Stelle Drösselöffnurigen(8) für das Einströmen von Kühlgas in die Zwischenräume (9) vorgesehen sind.

5. Gasgekühlter Atomkernreaktor nach Anspruch^ dadurch gekennzeichnet, daß die von der Spaltzone (4) zum Wärmetauscher (13) führende Ableitung (11) zentrisch in der das Kühlgas vom Umwälzgebläse (16) zum Reaktor führenden Leitung (12) angeordnet ist und mantelförmig um beide Leitungen mit Abstand als Verbindungskanal des Zwischenraumes (9) bzw. der Zwischenräume (9) mit dem Ansaugraum (17) die Leitung (10) hegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen