DE1489920C - . Schneller gasgekühlter Leistungsreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen schnellen F i g. 2 einen Grundriß, im wesentlichen geschnitten

gasgelcühlten Leistungsreaktor mit Vorrichtungen zur nach der Linie 2-2 der Fig. 1.

Flutung des Kernes mit Wasser im Falle eines Druck- Der dargestellte Leistungsreaktor 20 (vgl. Fig. 1)

- Schwundes des Kühlmittels, wobei der Kern eine ist ein schneller Reaktor, der Gas als Kühlmittel ver-Substanz mit thermischen Resonanzbanden in solcher 5 wendet. Der Reaktor weist einen vorgespannten

Menge enthält, daß eine Flutung des Kernes einen Drucktankbehälter 22 aus Beton auf, der das gesamte

negativen Beitrag zur Reaktivität bewirkt. Hauptsystem des Reaktors umschließt, einschließlich

Leistungs'reaktoren dieser Art sind nach der des Core, des Antriebsmechanismus für die Regel-Zeitschrift »Nuclear Power«, Oktober 1961, S. 75, stäbe, der Zirkulatoren, der Dampfgeneratoren und bekannt. io der zugehörigen Hauptkühlleitung. Ein derartig kon-

Ünabhängig davon ist nach dem Gebrauchsmuster . struierter Tank dürfte wohl bei einer plötzlichen 1852 483 ein gasgekühlter Reaktor mit einem Kern Explosion nicht versagen; vielmehr wird er Leckbekannt, der zusammen mit Vorrichtungen zur Um- stellen bilden, die den Innendruck ablassen/bis die wälzung des Kühlgases und mit Dampferzeugungs- Spannkabel in der Lage sind, wieder eine vergleich Vorrichtungen innerhalb eines vertikal ausgerichteten 15 bare Abdichtung herzustellen. Damit ist die Gefahr Druckbehälters untergebracht ist, in dem ein Wärme- eines plötzlichen Kühlmittelausfalls beseitigt, schild den Innenraum in einen oberen Bereich mit Der Druckbehälter 22 weist einen Betonmantel 31 den Umwälzvorrichtungen und den Dampferzeugungs- auf, dessen äußere Begrenzung ein Zylinder mit Vorrichtungen und in einen unteren Bereich mit dem flachen Enden ist. Der Mantel 31 besteht aus einer Kern unterteilt. »o praktisch zylindrischen Seitenwand 32, einer oberen

Wiederum unabhängig davon ist nach der fran- Stirnwand 34 und einer unteren Stirnwand 36, die

zösischen Patentschrift 1 273 532 ein Reaktor be- zusammen im Inneren einen Hohlraum 37 bilden,

kannt, oberhalb dessen Kernes ein Wassertank an-. Der Mantel 31 kann in einem zylindrischen Schacht

geordnet ist, der das zur Flutung des Kernes erforder- 38 so angeordnet sein, daß die Mittelachse des

liehe Wasser enthält. Der Wassertank ist durch ein 35 Druckbehälters vertikal steht und sein oberes Ende

druckempfindliches Diaphragma von dem Reaktor sich auf Bodenhöhe befindet. Der zylindrische Mantel

so abgeteilt, daß bei einem Druckstoß des Kühl- wird längs seiner Höhe in Abständen von einzelnen

mittels ein Ausströmen des Wassers erfolgt. Stahlbändern oder -kabeln 40 umschlossen. Jedes

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Leistungs- dieser Kabel 40 läuft auf einem Kreis oder einer

reaktor eingangs genannter Art anzugeben, der 30 Windung um die zylindrische Außenwand des Man-

Sicherheit gegen eine bei einem Betriebsunfall auf- tels und ist mit Mitteln, beispielsweise ferngesteuerten

tretende Explosion und gegen den damit verbundenen Winden, versehen, die unabhängig voneinander den

kühlmittelausfall bietet. ■ . Zug in jedem Kabel kontinuierlich messen und ein-

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Leistungs- stellen. Die Kabel 40 und die zugehörigen Meß- und reaktor eingangs genannter Art dadurch gekennzeich- 35 Einstellvorrichtungen sind in einer im wesentlichen net, daß in an sich bekannter Weise der Kern zu- zylindrischen Betonauskleidung 41 des Schachtes in sammen mit Vorrichtungen zur Umwälzung des dem Zwischenraum zwischen dem zylindrischen Kühlgases und mit Dampferzeugungsvorrichtungen Mantel und der Bohrung untergebracht, innerhalb eines vertikal ausgerichteten Druckbehälters Lange, vertikal laufende, einen axialen Zug ausaus vorgespanntem Beton untergebracht ist, in dem 4° übende Stahlkabel 42 sind in diametral gegenüberein Wärmeschild den Innenraum in einen oberen liegenden Paaren rundum angeordnet und erstrecken Bereich mit den Umwälzvorrichtungen und den sich über die volle Höhe des Tanks. Die Kabelpaare Dampferzeugungsvorrichtungen und in einen unteren 42 liegen, wie Fig. 2 verdeutlicht, in Abständen auf Bereich mit dem Kern unterteilt, und daß in ebenfalls einem Kreis im Inneren der Wand des Mantels 31. an sich bekannter Weise oberhalb des Kernes ein 45 Es sind zweckmäßige Vorrichtungen vorgesehen, um Wassertank angeordnet ist, der das zur Flutung des den Zug der axialen Spannkabel einzustellen und Kernes erforderliche Wasser enthält. kontinuierlich zu messen. Diese Vorrichtungen sind

Im Falle einer Explosion fließt bei einem erfin- vom Kopf des Tanks aus bedienbar. Der dargestellte

dungsgemäß ausgebildeten Leistungsreaktor das Was- Tankhohlraum 37 hat eine druckfeste Innenausklfi-

ser aus dem Wassertank unter der Wirkung der 50 dung 62 aus Stahl, die mit einer Wärmeisolations-

Schwerkraft heraus und überflutet den Kern, ohne schicht 64 überzogen ist. In der Tankwandung sind

daß dabei die Vorrichtungen zur Umwälzung des nächst der Stahlauskleidung 62 Kühlwasser führende

Kühlgases und die Dampferzeugungsvorrichtungen Kühlschlangen 66 angeordnet,

beeinträchtigt werden. Wie schon erwähnt, wird ein derartiger Tank ver-.

Um den Austritt des Wassers aus dem Wassertank 55 mutlich bei einer plötzlichen Explosion niemals

im Falle einer Explosion sicherzustellen, ist bevorzugt unbrauchbar; vielmehr bildet er Leckstellen, die den

zwischen dem Wassertank und dem Kern eine bei Druck ablassen, bis die Spannkabel in der Lage sind,

Druckschwund des Kühlmittels berstende Membran wieder eine verhältnismäßige Abdichtung herzustel- :

angeordnet. len. Man nimmt an, daß im Falle eines plötzlichen

Ein besonders kompakter Aufbau ergibt sich, wenn 60 Druckanstiegs die druckfeste Metallauskleidung und der Wassertank im oberen Bereich des Druck- die Betonwände des Mantels zu Bruch gehen, so daß behälters untergebracht ist, wie dies an sich aus der die anfänglichen Druckwellen zwischen den Bruchfranzösischen Patentschrift 1 273 532 bekannt ist. stücken entweichen können. Dies würden die Stahl-

Die Erfindung wird im folgenden in einem Aus- kabel erlauben. Wenn aber die anfänglichen Druckführungsbeispiel unter Hinweis auf die Zeichnung 65 wellen sich gelegt haben, würden die vorgespannten beschrieben; es zeigt ' Kabeln sich zusammenziehen und-die Betonbruch-

F i g. 1 einen Aufriß eines Teils eines schnellen stücke zusammenführen, um wieder einen Abschluß,

gasgekühlten Leistungsreaktors nach der Erfindung, herzustellen. Zu dieser Vorstellung gehört auch die

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Überlegung, daß eine anfängliche Stoßwelle der Wan- Querwand 46 ein. Eine zentrale öffnung in dem

derung von merklich radioaktivem Material weit Schild 86 stimmt im Durchmesser mit dem darüber-

genug vorauseilen würde, so daß ein Abschluß liegenden inneren Stöpsel 74 überein. Der im wesent-

erreicht werden kann, bevor noch dieses radioaktive liehen zylindrische Reaktorkern 50 ist in dem oberen

Material entweichen kann, wenigstens in wesentlicher 5 Abschnitt dieses thermischen Schildes 86 derart an-

Menge. Die Stärke der Betonwand im Verhältnis zu geordnet, daß seine Oberseite mit dem Oberende des

derjenigen der Stahlkabel ist derart gewählt, daß die Schildes in einer Ebene liegt und zusammen mit der

Betonwand zerbricht und die Druckwelle durchläßt, Unterseite des inneren Stöpsels 74 die freie Zone 76

ohne daß die Kabel so stark beansprucht werden, unmittelbar oberhalb des Reaktorkerns begrenzt,

daß sie zerspringen oder leitend deformiert werden. io Quer über das Unterende des zylindrischen ther-

Der Zugang zu dem Hohlraum 37 wird von einem mischen Schildes 86 läuft eine Wärmeisolationswand

äußeren Einlaß 43 gebildet, der die obere Stirnwand 88 aus einem zweckmäßigen Material, wie Eisen und

34 in der Mitte durchstößt. Der Einlaß 43 ist nor- porösem Beton. Diese bildet zwischen sich und dem

malerweise geschlossen und mit einem äußeren Ver- unteren Ende des Reaktorkerns eine untere freie

schlußstopfen 44 abgedichtet, der abnehmbar in dem 15 Zone 90, die zur Handhabung des Brennstoffes und

Einlaß befestigt ist. Über dem ganzen oberen Ende als Aufnahme im Falle eines Niederschmelzens des

des Tanks 22 ist eine Haube 45 festgemacht, die als Reaktorkems dient,

sekundärer Behälter oder Schild dient. Vier Einlaßkanäle 58 ziehen längs des Umfangs

In der Hauptsache ist der Hohlraum 37 in dem Druck- beabstandet durch die innere Querwand 46 nahe an

behältertank durch einen Wärmeschild 46 in Form 20 deren Peripherie nach unten und laufen dann radial

einer inneren Querwand aus Beton in einen unteren einwärts, um in die obere freie Zone 90 zu münden.

Bereich 52 und in einen oberen Bereich 48 unterteilt. Acht längs des Umfangs beabstandete Auslaßkanäle

In dem unteren Bereich ist der Reaktorkern 50 unter- 60 laufen von der unteren freien Zone 90 radial nach

gebracht. In dem oberen Bereich ist eine Dampf- außen und dann vertikal nach oben durch den zylin-

erzeugungsvorrichtung 54 angeordnet. Zirkulatoren 95 drischen thermischen Schild 86 und die innere Quer-

56 schicken das als Kühlmittel dienende Heliumgas wand. Das Helium-Kühlmittel strömt also durch die

durch Einlaßkanäle 58 von dem oberen Bereich 48 Einlaßkanäle 58 abwärts und in die obere freie Zone

durch die Querwand 46 nach unten durch den Re- 76 oberhalb des Reaktorkems. Dann strömt.das

aktorkern 50. Dann strömt das Kühlgas in Auslaß- Kühlgas, das an dieser Stelle noch relativ kühl ist,

kanälen 60 durch die Querwand zurück zum oberen 30 nach unten durch den Kern und die Brutmäntel 98

Bereich 48. Anschließend passiert das Kühlmittel die zu der unteren freien Zone 90. Während das Gas

Dampferzeugungsvorrichtung 54 und kehrt schließ- nach unten strömt, nimmt es vom Reaktorkern und

Hch, um den Kreislauf zu schließen, zu den Zirkula- den Brutmänteln Wärme auf. Das erhitzte Kühlgas

toren 56 zurück. strömt dann nach außen und weiter durch die Aus-

Die innere Betonquerwand 46 ist wesentlich näher 35 laßkanäle 60 nach oben in den Dampferzeugungsam unteren Ende des Tanks angeordnet, da bei der bezirk, der oberhalb der inneren Querwand angedargestellten Reaktorkonstruktion die Dampferzeu- ordnet ist. .
gungsvorrichtung 54 ein sehr viel größeres Volumen Die Dampferzeugungsvorrichtung 54 des dargebeansprucht als der Reaktorkern. Der untere Bereich stellten Reaktors 20 umfaßt acht unabhängige Dampf-52 hat einen kleineren Durchmesser als der obere 40 erzeugungseinheiten 104. Jede solche Einheit enthält Bereich 48, so daß ein ringförmiger Absatz entsteht, zwei Vorwärmverdampfer 106 für einmaligen Durchauf dem die innere Querwand 46 aufsitzt. lauf, einen Überhitzerteil 108 und einen Abschnitt

Die Querwand 46 umschließt einen zentralen zy- 110 für nochmalige Überhitzung.. Dieser letztere Ablindrischen Durchlaß 72, in dem ein eingepaßter in- schnitt 110 dient zur Wiedererhitzung, weil ein nerer Stöpsel 74 abhebbar sitzt, der den oberen und 45 äußerer Wärmetauscher Dampf-zu-Dampf verwenden unteren Bereich voneinander trennt. Die Quer- det wird. Diese Anordnung sorgt für eine beträchtwand und der Stöpsel bestehen aus Beton oder einem liehe Verringerung des Räumbedarfs für den Dampfähnlichen Werkstoff und sind auf ihrer Bodenfläche, erzeuger im Inneren des Tankbehälters und ist für die die dem Reaktorkernzugekehrt ist, mit einer Wärme- Erfindung von Wichtigkeit, weil in schnellen Reaktoisolation versehen. An der Unterseite des Stöpsels 74 50 ren die Energiedichte so groß ist, daß die Tankgröße ist eine freie Zone 76 vorgesehen, die zentral über hauptsächlich durch die Dampferzeugungsvorrichdem Reaktorkern liegt. Mehrere Röhren 80 durch- tung bestimmt wird. Um die erstrebte Unempfindziehen senkrecht den inneren Stöpsel 74. lichkeit gegenüber einem plötzlichen Ausfall des

An der Oberseite des inneren Stöpsels ist ein An- Kühlmittels zu erreichen, werden vorzugsweise alle triebsmechanismus 82 für die Regelstäbe des Reak- 55 Dampfdrücke über dem Kühlgasdruck gehalten. Ein tors montiert. Jede Röhre 80 nimmt Teile dieses An- ziemlich gasdichter Schild 111 in Form eines offenen triebsmechanismus sowie ein längliches Regelstab- Zylinders umgibt die Dampferzeugungsvorrichtung elemente 84 auf, das dieser Röhre zugeordnet ist. Die 54 und die Zirkulatoren 56 und kann vom unteren Röhren 80 nehmen eine solche Lage ein, daß jede Ende des äußeren Stöpsels 44 bis zur Oberseite des gerade oberhalb der Stelle des Reaktorkerns 50 liegt, 60 inneren Stöpsels 74 reichen. Dieser Schild 111 isoliert wo sich eines der Regelstabelemente 84 für den Re- praktisch den mit Leitblechen versehenen Strömungsaktor befindet. weg des Kühlgases von der oberen freien Zone 48

In dem unteren, den Reaktorkern enthaltenden Be- und erlaubt einen Zugang zu der oberen Zone, währeich des Druckbehälters ist ein etwa zylindrischer rend der Kühlmittelfluß aufrechterhalten wird,
thermischer Schild 86 aus geeignetem Werkstoff, wie 65 Das Kühlgas strömt von den Auslaßkanälen 60 ab Eisen und porösem Beton, angeordnet. Der zylin- zwischen wechselnden Paaren von Rücküberhitzern drische Schild 86 nimmt den unteren Bereich 52 vom nach oben, dann quer zu diesen und weiter nach Boden dieses Abteils bis zur Unterseite der inneren oben zu den Überhitzern, von dort zu den Vonvärm-

Verdampfern und endlich zu den vier Zirkulatoren 56, von denen jeder mit zwei der acht Dampferzeugereinheiten gekoppelt ist. Die Sammelrohre und Zwischenverbindungen sind alle innerhalb des Druckbehälters 22 angeordnet, der nach Abschalten zum Zweck einer Reparatur oder zum Austausch der Dampferzeugungseinrichtung zugänglich ist.

Die innere Querwand 46 ermöglicht den Zugang im abgeschalteten Zustand zum Dampferzeugungssystem und zum Antriebsmechanismus für die Regelstäbe durch den Haupteinlaß 44. wobei der obere Bezirk des Tankabteils geflutet sein kann oder auch nicht.

Für jeden der vier Einlaßkanäle 58 ist einer der zweistufigen axialen Kompressor-Zirkulatorcn 56 vorgesehen. Jeder Zirkulator 56 wird von einer fest mit ihm verbundenen einstufigen Turbine 112 angetrieben und leitet den vollen Dampfnachschub aus zwei der acht Dampferzeugereinheiten 104 zu dem ihm zugeordneten Einlaßkanal. Wie F i g. 1 erkennen läßt, ist ao jeder Zirkulator am oberen Ende des zugehörigen Einlaßkanals und nächst dem oberen Ende des Tanks angeordnet. Jeder Zirkulator ist mit seiner Turbine in einem Abteil 114 untergebracht, das vom Kopf des Tanks aus durch einen Zugang 116 erreichbar ist. dei »5 gewöhnlich mit einem Verschlußstöpsel 118 aus Bc* ton oder einem ähnlichen Material abgedichtet ist. Vom Kopf des Tanks aus wird jeder Zirkulator und seine Turbine mit Hilfe eines zweckmäßigen Bauteils 120 gesteuert, das durch den zugehörigen Verschlußstöpsel 118 senkrecht nach unten ragt.

Die Zirkulatoren 112 stehen im Inneren und an der Außenseite unter dem Druck des Kühlmittels, so daß ihre Gehäuse druckentlastet sind. Dieser zusammengebaute Turbinen-Zirkulatorsatz bietet die Vorzüge, daß er in einem einzigen Lagerpaar gchaltert sein kann, daß er klein genug ist. um bequem und leicht in dem Haupttank Platz zu finden, und daß er unabhängig von äußeren Energiequellen ist.

In dem oberen Bezirk 48 ist ferner ein Wasser-. tank 121 untergebracht, der etwa zu drei Vierteln voll ist und ausreichend Wasser 122 enthält, um den Reaktorkern im Falle eines wesentlichen Ausfalls des Kühlmittels zu kühlen. Der Wassertank 121 ruht mit Füßen auf dem inneren Stöpsel 74 oder ist auf andere Weise derart abgestützt, daß der Antriebsmechanismus 82 für die Regelstäbe zugänglich bleibt. Am Oberende des Wassertanks sind Mittel zum Anheben angeordnet, beispielsweise Hebeaugen 123. an denen der Wassertank zur Wartung der Dampferzcugungsvorrichtung und der Zirkulatoren aus dem Innenraum 37 durch den Einlaß 43 herausgehoben werden kann. Am Kopfende des Wassertanks ist auch noch eine eingeengte öffnung 124 angebracht, die Gas aus dem oberen Bezirk 48 in den Raum oberhalb des Wassers eintreten läßt und damit das Wasser im Tank unter demselben Druck hält, wie er in dem oberen Bereich 48 herrscht. .

Am Boden des Wassertanks sind vier Schnellablaßleitungen 125 angeordnet, die mit den vier Ein- laßkanälen 58 für das Kühlmittel in Verbindung stehen. Eine Membran 126, die bei einer vorgegebenen Druckdifferenz birst. liegt in jedem Wasserablaß und hält unter Normalbedingungen das Wasser im Tank zurück. Beim Zusammenbruch des Drucks in dem Kühlgaskanal birst die Membran und läßt Wasser in die Kühlgaskanäle und von dort in den Reaktorkern strömen. Die eingeengte öffnung 124 hat einen Durchmesser, der bei einem bestimmten Abfall des Kühlmitteldrucks die für das Bersten der Mem^ bran erforderliche Druckdifferenz entstehen läßt.

Für den vorliegenden schnellen Reaktor mit Gaskühlung wurde Helium als Kühlgas angegeben, selbstverstiindlich können jedoch auch andere gasförmige Kühlmittel, wie Kohlendioxyd oder Stickstoff, verwendet worden. ..··..

Um jede Reaktivitäjszunahme auf Grund einer Dampfeinströmung zu unterdrücken und auch mit einer vollständigen Wasserfiuiung fertigzuwerdcn,· enthält der dargestellte Reaktor ständig im Inneren des Reaktorkerns genügend Resonanzabsorber, die sicherstellen, daß die von dem Eindringen des Wassers verursachte Aufweichung des Spektrums immer eine Abnahme der Reaktivität zur Folge hat. Im einzelnen sind schnelle Reaktoren gegenüber jeder Wasserzugäbe empfindlich, wie sie bei einem Bruch der Dampfleitungen eintreten kann. Eine kleine eingedrungene Wasscrrncnge im Kern eines schnellen Reaktors ergibt eine Abnahme der Reaktivität auf Grund der erhöhten Resonanzabsorption in dem fruchtbaren Material. Größere Wasserzugaben dagegen ergeben einen starken Anstieg der Reaktivität auf Grund des verminderten Leckverlustes und des gesteigerten Anteils der thermischen und epithermischen Absorption. Bei dem gezeigten Reaktor ist jedoch die Gefahr bereits stark vermindert durch ein hohes Verhältnis der im Kern vorgesehenen Stoffe U 238 und Pu 239 sowie durch die starke Absorptionsresonnnz des ebenfalls im Kern vorgesehenen Pu 240. Der Kern des vorliegenden Reaktors ist aber darüber hinaus für jede Wassermenge sicher durch die Einführung einer begrenzten Menge von Resonanzabsorbern in den Kern. Obwohl Gadolinium als ein besonders zweckmäßiger Resonanzabsorber geeignet ist. können auch andere Stoffe mit ähnlichen thernvschen Rcsonanzoigenschaftcn verwendet werden, beispielsweise Indium. Auch ist ein Gemisch von Stoffen, wie Samarium. Gadolinium. Indium und Gold, geeignet.

Wie schon erwähnt, besitzt der dargestellte Reaktor einen Wasserspeicher zur Sprühwasserinjektion und oder vollständigen Flutiins des Kerns im -Falle eines Versagens des Kühlmittels: In der Darstellung liegt dieser Wasserspeicher im Inneren des Reaktorschachtes: selbstverständlich können jedoch verschiedene andere Verfahren der Wasserinjektion verwendet werden, wie beispielsweise ein temperaUirgesteu-' erter Sprühstrahl aus einem externen Speicher. Dies ist eine wirksame Sicherheitsmaßnahme auf Grund der Verträglichkeit des Kerns mit Wasser auf Grund der Anwesenheit der Resonanzabsorber. Eine zusätzliche Sicherheit bietet die Verwendung von porösem Material in den thermischen Schilden und anderswo, um eine etwaige Druckwellenenergie teilweise zu absorbieren und als Dämpfmechanismus bei einer Explosion zu wirken.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schneller gasgekühlter Leistungsreaktor mit Vorrichtungen zur Flutung des Kerns mit Wasser im Falle eines Druckschwundes des Kühlmittels, wobei der Kern eine Substanz mit thermischen Resonanzbanden in solcher Menge enthält, daß ' eine Flutung des Kerns einen negativen Beitrag zur Reaktivität bewirkt, dadurch eekenn-

zeichnet, daß in an sich bekannter Weise der Kern (50) zusammen mit'Vorrichtungen (56) zur Umwälzung des Kühlgases und mit Dampferzeugungsvorrichtungen (54) innerhalb eines vertikal ausgerichteten Druckbehälters (22) aus vorgespanntem Beton untergebracht ist, in dem ein Wärmeschild (46) den Innenraum in einen oberen Bereich (48) mit den Umwälzvorrichtungen (56) und den Dampferzeugungsvorrichtungen (54) und in einen unteren Bereich (52) mit dem Kern (50) unterteilt, und daß in ebenfalls an sich bekannter Weise oberhalb des Kerns (50) ein

Wassertank (121) angeordnet ist, der das zur Flutung des Kerns (50) erforderliche Wasser (122) enthält.

2. Leistungsreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß des Wassertanks (121) mit einer bei Druckschwund des Kühlmittels berstenden Membran (126) verschlossen ist.

3. Leistungsreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß — wie an sich bekannt — der Wassertank (121) im oberen Bereich des Druckbehälters (22) untergebracht ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen