DE1489645B2 - Siede- oder Druckwasser-Kernreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Siede- oder Druckwasser-Kernreaktor mit einem Druckkessel aus vorgespanntem Beton, einem innerhalb des Druckkessels angeordneten Behälter, der mit diesem einen Zwischenraum bildet, welcher ein Wärmeisoliergas enthält, wobei sich im unteren Teil des Behälters der Reaktorkern mit Kernbrennstoff im Kühlwasser befindet und dessen oberer Teil einen Dampfraum bildet.

Mit dem Anwachsen der Reaktorgrößen nimmt die Bedeutung von Druckkesseln aus vorgespanntem Beton zu. Obwohl dies in der Hauptsache für durch Gas gekühlte Reaktoren gilt, sind solche Druckkessel auch für Leichtwasser-Reaktoren interessant. Bei solchen Reaktoren besteht das wesentliche Problem darin, eine entsprechende Wärmeisolierung zwischen dem Heißwasser und Dampf in dem Druckkessel und dem Beton-Druckkessel zu erzielen. Bei den mit Gas gekühlten Reaktoren wird die Wärmeisolierung zwischen dem kalten inneren Stahlfutter des Betons und dem heißen Kühlgas oft durch dünne Schichten aus Stahlfolien, Drahtmaschen oder anderen bekannten Einrichtungen erzielt, die die Zirkulation des Kühlgases in einer engen Schicht nahe dem Futter einschränken. Auf diese Weise erhält man verzögerte Schichten des Kühlgases zur Isolierung. Diese Form der Isolierung kann nicht für den Dampfraum in Siedewasser- oder Druckwasser-Reaktoren mit schwerem Wasser verwandt werden, da der Dampf sich an dem verhältnismäßig kalten Futter kondensieren würde.

Ein anderes Isolationsprinzip, das in den mit Gas gekühlten Reaktoren benützt wird, besteht in der Verwendung eines porösen Betons, beispielsweise eines porösen Bimsbetons, der in dem Raum zwischen dem kalten äußeren Futter und einem flexiblen heißen inneren Futter enthalten ist. Diese Lösung könnte auch für die Siedewasser- oder Druckwasser-Reaktoren benützt werden, wenn poröser Beton und flexible Futter, die für die sehr hohen Drücke in solchen Reaktoren geeignet sind, zur Verfügung stünden. Materialien, die diesen Erfordernissen genügen, sind jedoch zur Zeit nicht erhältlich.

Bei den Siedewasser- oder Druckwasser-Reaktoren ist es möglich, verzögerte Schichten von Wasser zu verwenden, die durch Schichten von Stahlfolien oder ähnlichen Einrichtungen an der Innenseite des kalten Futters als eine Isolierung unter der Wasserfläche abgetrennt sind. Auch für den Dampfraum oberhalb der Wasserfläche ist es möglich, einen verzögerten Wasserstoß als Isolierung zu schaffen, doch nur mit Hilfe verhältnismäßig komplizierter Einrichtungen. Die Wasserisolierung ist jedoch wesentlich weniger wirksam als die Gasisolierung; wenn der Reaktor schweres Wasser an Stelle von normalem Wasser verwendet, ergeben sich zudem auch hohe Kosten für das schwere Wasser in dem Isolationsraum.

Durch die britische Patentschrift 961 827 ist bereits ein leichtwassergekühlter Kernreaktor bekanntgeworden, der durch eine Gasisolierung die vorstehenden Nachteile vermeidet. Diese Patentschrift offenbart einen Siede- oder Druckwasser-Kernreaktor mit einem Druckkessel aus vorgespanntem Beton, einem innerhalb des Druckkessel angeordneten Behälter, der mit diesem einen Zwischenraum bildet, welcher ein Isoliergas enthält, wobei sich im unteren Teil des Behälters der Reaktorkern mit Kernbrennstoff im Kühlwasser befiridetund dessen oberer Teil einen Dampfraum bildet. Von einem derartigen Kernreaktor geht die Erfindung aus.

Damit bei einem derartigen Kernreaktor der Behälter nicht den gesamten Arbeitsdruck aufzunehmen hat und verhältnismäßig dünnwandig gehalten werden kann, muß ein Druckausgleich zwischen dem Behälterinneren und dem Zwischenraum vorgesehen werden. Dies erfolgt im bekannten Fall mittels einer Öffnung am Auslaß des Behälters. In diesem Bereich

findet also eine Vermischung des Isoliergases und des erzeugten Dampfes statt, wobei die Mischzone je nach den herrschenden Druckverhältnissen ihre Lage verändert. Weil jedoch möglichst kein Dampf in den Zwischenraum gelangen soll (da er dort am kalten Stahlfutter des Betons kondensieren würde) bzw. kein isoliergas in den Behälter gelangen darf, ist in der Mischzone eine Absaugvorrichtung vorgesehen, der eine Trennanlage für das Isoliergas und den Dampf nachgeschaltet ist, die die getrennten Komponenten zurückspeist.

Die Absaugvorrichtung wird jedoch mit Nachteil nicht verhindern können, daß trotzdem beachtliche Dampfmengen in den Zwischenraum gelangen; außerdem ist der apparative Aufwand sehr hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für den obengenannten Siede- oder Druckwasser-Kernreaktor mit einfachen Mitteln eine Gas-Wärmeisolierung zu schaffen, ohne daß wesentliche Teile des im Reaktorkern erzeugten Wasserdampfes kondensiert werden.

Die.Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung dadurch, daß der Behälter aus einem oberen Teilbehälter und einem unteren Teilbehälter besteht, daß sich die benachbarten Enden der Wandungen der beiden Teilbehälter überlappen, daß die Überlappung in an sich bekannter Weise als Wasserdichtung ausgebildet ist, und daß durch das Wasservolumen der Dichtung das Wärmeisoliergas im Zwischenraum vom Dampf im Dampfraum getrennt ist.

Bei dieser Ausführung des Druckausgleiches findet mit Vorteil unter Zuhilfenahme von nur einfachen Mitteln keine nennenswerte Vermischung zwischen Isoliergas und Dampf statt.

Es ist zwar aus der deutschen Auslegeschrift 1 090 041 eine Flüssigkeitstauchdichtung bekanntgeworden, die. zur Abdichtung eines drehbaren Kernreaktordeckels dient. Bei der bekannten Tauchdichtung kommt es auf einen Durchlaß an, dessen Auslaßenden derart in den abzudichtenden Räumen angeordnet sind, daß die Dichtungsflüssigkeit bei einem Druckstoß nicht weggeblasen wird, sondern die Dichtung aus sich selbst heraus wieder wirksam wird.

Ein Hinweis auf den Erfindungsgedanken und auf die Anwendbarkeit für Wasserdichtungen zwischen einem dünnwandigen Behälter innerhalb des Druckkessels ist nicht gegeben.

Ähnlich liegt es bei der Anordnung nach der französischen Patentschrift 1279 226. Dort soll durch eine Wasserdichtung das Entweichen radioaktiver 5" Gase oder anderer Substanzen in die Umgebung vermieden werden. Es ist die Abdeckung eines Innenraumes gezeigt, der an seinem oberen Umfang außen eine Rinne aufweist, in die der Flansch einer Abdekkung eingesenkt wird. Die Rinne wird mit Flüssigkeit gefüllt und stellt somit eine Wasserdichtung dar. Im Sinne der Erfindung ist bei dem Kernreaktor nach der genannten französischen Patentschrift kein Isolierzwischenraum gegeben, der gegen das Kühlwasservolumen irgendwie abgedichtet wäre. Gerade diese Art der Abdichtung eines gasgefüllten Isolierzwischenraumes gegen das Dampfvolumen ist jedoch wesentlich für die Erfindung.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung, die zwei Ausführungsformen des Reaktors nach der Erfindung erläutert, wird die Erfindung weiter beschrieben.

Der in F i g. 1 erläuterte Reaktor enthält einen Druckkessel 11, der aus vorgespanntem Beton besteht. Die Innenseite des Druckkessels ist von einem Stahlfutter 12 bedeckt, auf dem Röhren 13 für Kühlwasser aufgeschweißt sind, um den Beton auf einer Temperatur unterhalb yon 70⁰C zu halten. Der Druckkessel enthält einen Behälter, der den Reaktorkern darstellt. Der Kern enthält den spaltbaren Brennstoff in mehreren senkrechten Röhren 1, von denen aus Gründen der Einfachheit nur eine gezeigt ist. Diese Röhre besitzt an ihrem oberen Ende eine Trenneinrichtung 2 für Dampf und Wasser. B eschikkungswasser wird durch eine Leitung 9 dem Reaktor zugeführt. Pas Wasser, fließt aufwärts durch den Reaktorkern 10, wirkt als Moderator, vermischt sich mit heißem Wasser aus den Dampf trenneinrichtungen2, fließt abwärts durch den Raum 4, der den Reaktorkern umgibt, in den Eintrittsraum 5 unterhalb des Reaktorkerns und fließt dann aufwärts durch die Röhren 1, während es zum Sieden gebracht wird. Der Dampf strömt von dem Dampfraum 6 abwärts durch die Röhren 7, die passend um den Reaktorkern 10 herum vorgesehen sind. Der Dampf verläßt den Reaktor durch die Röhren 8. .",..

. Ein vergleichsweise dünnwandiger oberer .Teilbehälter 14 aus einer Stahlfolie umgibt. den Dampfraum 6, um so zwischen dem Futter 12 und dem oberen Teilbehälter. 14 einen verhältnismäßig engen Isolationsraum 29 zu bilden. Das obere Teil des Teilbehälters ist bei 30 mit dem Futter verschweißt. Der untere Teil des Teilbehälters 14 besitzt einen Wandabschnitt 16 mit vermindertem Durchmesser, der sich unter die normale Wasseroberfläche 3 in dem Reaktor erstreckt. Ein entsprechender dünnwandiger unterer Teilbehälter 15 umgibt den unteren, wassergefüllten Teil des Reaktors und bildet, so. mit dem Futter 12 einen Isolationsraüm 31, Der untere Teilbehälter 15 ist mit dem Teil des Futters, der den Boden des Druckkessels bedeckt, verschweißt._; Die Oberseite des unteren Teilbehälters 15 überlappt .den unteren Teil 16 des. oberen Teilbehälters 14,. und der Raum zwischen den beiden überlappenden Teilen enthält zwei Prallplatten 19 und 20. Eine Leitung 18 für die Wasserzufuhr mündet zwischen den Prallplatten 19 und 20, und eine Leitung 21 für das Abziehen von Wasser mündet oberhalb der Prallplatte 20.

Der Isolationsraum 31, 29 ist mit einem Gas, vorzugsweise Stickstoff, gefüllt, welches durch eine Röhre 22 zugeführt wird. Der Raum enthält mehrere dünne Stahlfolien 32, um so die Zirkulation des Gases zu behindern. Wasser, das in dem Raum 32 kondensiert sein kann, wird durch eine Röhre 23 abgezogen.

Der Boden des Druckkessels besitzt eine andere Isolation, z.B. eine Vielzahl von Röhren, die sich durch den Boden erstrecken. Ein Metallmaschendraht 24 od. dgl. ist auf dem Boden angeordnet, um eine Schicht von stockendem Wasser zu liefern, die eine ausreichende Isolation darstellt.

Die Decke des Reaktors enthält eine öffnung 28. Eine Betätigungseinrichtung 25 zur Entfernung verbrauchter Brennstoffelemente aus dem Reaktor und zur Einführung neuer Brennstoffelemente erstreckt sich durch diese Öffnung.

Die überlappenden Teile der oberen und unteren Teilbehälter 14 und 15 bilden zusammen mit den Prallplatten 19 und 20 eine Wasserdichtung, die auf folgende Weise arbeitet. Wenn der Druck in dem Reaktor auf normale Weise variiert, verändert sich

auch der Stand der Wasseroberfläche 17 in der Wasserdichtung ein wenig. Die Breite der Wasserdichtung sollte vorzugsweise so groß gehalten sein, daß diese Veränderung klein bleibt. Die Wasseroberfläche 17 sollte vorzugsweise 3 bis 10 % der Wasseroberfläche 3 ausmachen. Wenn der Druck im Dampfraum 6 in anormaler Weise steigt, sinkt die Wasseroberfläche 3 unter die Kante der Wand 16, so daß Dampf in den Isolationsraum 29, 31 eintritt. Wenn der Druck in anormaler Weise abfällt, sinkt die Wasseroberfläche 17 unter die Kante des Wandabschnittes 16 und führt dazu, daß Gas aus dem Isolationsraum 29, 31 in den Dampfraum 6 eintritt. In beiden Fällen, die nur selten eintreten, wird der Druck auf beiden Seiten der Teilbehälter 14 und 15 ausgeglichen, und folglich können diese Hüllen dünnwandig sein.

Man kann nicht verhindern, daß sich das Gas in dem Isolationsraum 29, 31 in dem Wasser in der Wasserdichtung löst. Dieses gashaltige Wasser sollte davon abgehalten werden, sich mit dem Reaktorwasser zu vermischen. Dies erreicht man dadurch, daß man gasfreies Wasser durch die Leitung 18 zuführt, während das gashaltige Wasser durch die Leitung 21 abgezogen wird. Das zugesetzte gasfreie Wasser sollte vorzugsweise kalt sein, um die Verdampfung von der Wasseroberfläche 17 zu vermindern.

Bei der Ausführungsform von F i g. 1 ist die Wasserdichtung an der Oberfläche des normalen Wasserspiegels in dem Reaktor angebracht und gewährleistet so, daß die Waserdichtung ständig mit Wasser gefüllt ist, es sei denn, daß der Druck anormal verändert wird. Wechselweise kann die Wasserdichtung auch an einer anderen Stelle in dem Reaktor angebracht sein, vorausgesetzt, daß sie so eingerichtet ist, daß sich stets Wasser in der Wasserdichtung befindet. Das ist in F i g. 2 dargestellt.

F i g. 2 erläutert lediglich den unteren Teil eines Reaktors. Die Bezugsziffern von Fi g. 1 sind auch für die entsprechenden Teile hier verwandt. Der Behälter, der den Reaktorkern darstellt, ist mit 10 bezeichnet. Dieser Behälter wird nachfolgend als Moderatorbehälter bezeichnet, da das Wasser in diesem Behälter als Moderator dient. Der Behälter 10 ist von einem Behälter 36 umgeben, der als Wasserbehälter bezeichnet wird. Dieser Wasserbehälter besitzt öffnungen 45 in dem oberen Teil der Seitenwand und trägt eine Platte 44, die das obere Ende der Brennelemente 1 trägt. Der in den Brennelementen erzeugte Dampf verläßt den Wasserbehälter durch die öffnungen 45, fließt abwärts durch den Ringraum um den Wasserbehälter 36 und verläßt den Reaktor durch die Röhren 8. Diese Röhren erstrecken sich bis etwas oberhalb des Bodens des Reaktors. Folglich wird auf diesem Boden eine Wasserschicht 43 gebildet, und diese Wasserschicht stellt in Kombination mit dem Metallmaschendraht 24 eine Wärmeisolierschicht dar.

Der dünnwandige obere Teilbehälter 14, der den oberen Teil des Reaktors von F i g. 1 umgibt, erstreckt sich in dem Reaktor von F i g. 2 so weit, daß er in etwa den Boden des Reaktors erreicht. Ein Ring 38 ist auf dem Boden des Reaktors befestigt. Dieser Ring bildet in Kombination mit der unteren Kante des Teilbehälters 14 eine ringförmige Wasserdichtung 37, die den Dampf in dem Raum 39 von dem Gas in dem Raum zwischen dem Teilbehälter 14 und der Reaktorwand 12 trennt. Beim Aufwärtsströmen durch den Raum 39 kondensiert eine kleine Menge Dampf an dem Teilbehälter 14, und das kondensierte Wasser fließt abwärts in die Wasserdichtung. Um eine zusätzliche Garantie zu erhalten, daß die Wasserdichtung stets gefüllt ist, wird Wasser durch eine Leitung 41 zugeführt. Der Wasserüberschuß wird durch eine Leitung 42 abgezogen. Diese Veränderung von Wasser in der Wasserdichtung ist auch eine Sicherheitsmaßnahme dagegen, daß Gas aus dem Isolationsraum zu dem Dampfraum gelangt, indem es sich in dem Wasser der Wasserdichtung löst.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Siede- oder Druckwasser-Kernreaktor mit einem Druckkessel aus vorgespanntem Beton, einem innerhalb des Druckkessels angeordneten Behälter, der mit diesem einen Zwischenraum bildet, welcher ein Wärmeisoliergas enthält, wobei sich im unteren Teil des Behälters der Reaktorkern mit Kernbrennstoff im Kühlwasser befindet und dessen oberer Teil einen Dampf raum bildet, d a d u rc ti .g e k e η η ζ e i c h η e t, daß der Behälter aus einem oberen Teilbehälter (14) und einem unteren Teilbehälter (15) besteht, daß sich die benachbarten Enden der Wandungen der beiden Teilbehälter (14, 15) überlappen, daß die Überlappung in an sich bekannter Weise als Wasserdichtung ausgebildet ist, und daß durch das Wasservolumen der Dichtung das Wärmeisoliergas im Zwischenraum (29, 31) vom Dampf im ao Dampfraum (6) getrennt ist.

2. Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserdichtung durch einander im Bereich der Höhe des normalen Wasserstandes (3) des Wassers im Kern überlappende Wandungen des Behälters (14,15) gebildet ist.

3. Kernreaktor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Isoliergas-Zwischenraum (29, 31) mit einem Metallmaschendraht (34) od. dgl. als Strömungswiderstand ausgekleidet ist.

4. Kernreaktor nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserdichtung am Boden des Druckkessels (11) angebracht ist.

5. Kernreaktor nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine in der Wasserdichtung mündende Zufuhrleitung (18 bzw. 41) für kaltes, vorzugsweise gasfreies, Wasser.

6. Kernreaktor nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine von der Wasserdichtung ausgehende Wasserebfuhrleitung (21 bzw. 42).

7. Kernreaktor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Isoliergaszwischenraum (29, 31) eine Isoliergas-Einlaßleitung (22) aufweist. . . ...

8. Kernreaktor nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine von dem Isoliergaszwischenraum ausgehende Auslaßleitung (23) für Wasser vorgesehen ist.

9. Siede- oder Druckwasser-Kernreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teilbehälter (14) lediglich den Dampfraum (6) umgibt und mit dem Wandabschnitt (16) an seinem unteren Ende in die Moderatorflüssigkeit eintaucht, während der untere Teilbehälter.(15) mit der Druckkesselwahd zusammenfällt.