DE1804025A1 - Gasgekuehlte Kernreaktorstation - Google Patents

Description

United Kingdom Atomic Energy Authority» 11, Charles II Street, Iiondon, S.W.1», England

]?ür diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Hr. 49 056/67 vom 27. Okt. 1967 beansprucht.

G-asgekühlte Kernreaktorstation

Die "Erfindung bezieht sich auf gasgekühlte Kernreaktorstationen oder -anlagen und betrifft insbesondere eine gasgekühlte graphitmoderierte Kernreaktorstation, bei welcher das gasförmige Kühlmittel, welches den Reaktorkern verläßt, durch eine Grasturbine hindurch nach einem Wärmetauscher geführt wird, in welchem es den größten (Dell seiner Eigenwärme frei- und bei einem erhöhten Druck abgibt, der dann durch eine weitere Gasturbine reduziert wird, bevor das gasförmige Kühlmittel wieder in den Reaktorkern eintritt*

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Unglücklicherweise ist die Au's gangs temperatur der weiteren Gasturbine, wenn der Zyklus wirkungsvoll sein soll, höher als diejenige (Temperatur), bei der der Reaktorkern erwünschtermaßen kontinuierlich arbeiten soll. Zwar kann die Auslaßtemperatur reduziert werden? doch kann sie nur unter erheblicher Einbuße im Wirkungsgrad des Zyklus herabgesetzt werden. Die kritischen Teile des Reaktorkerns sind die Graphitblöcke, die den Moderator- und Reflektoraufbau bilden, welche normalerweise durch einen Bruchteil des Kühlmittels gekühlt werden, der von dem Hauptstrom beim Eintritt in den Reaktorkern abgetrennt wird.

Erfindungsgemaß ist ein gasgekühlter Kernreaktor mit einem Reaktorkern, einer Wärmenutzungsanlage und einer Kühlmittelumlaufeinrichtung zum Hindurchschicken von Kühlmittel durch den Kern und diese Anlage, wobei diese Einrichtung einen Kühlmittelzufuhrerhitzer zum Erwärmen des Kühlmittels enthält, ^Li- ■* bevor dieses in den Reaktorkern gelangt, gekennzeichnet durch '■-'-■■·'^J-ein« Ablaßleitung, welche zumindest einen Teil des Kompressors '■ ^J umgeht f um einen Teil des Kühlmittels rait einer niedrigeren Temperatur zu führen und einige Komponenten oder Teile des Kerns zu kühlen,

Kernreaktor-Brennelemente sind für einen längeren Betrieb bei hohen Temperaturen geeignet? und soweit es die Brennelemente angeht, bestehen keine Bedenken, daß das Kühlmittel in den Kern bei Temperaturen von 400 - 5QO⁰C und einem Druck von etwa 72,1 kg/cm (1030 psi) gelangt. Dies trifft sogar für Graphithülsen rund um die Brennelemente zu, da diese periodisch ersetzt werden (wenn die Brennstoffcharge gewechselt wird)· Ein Dauer-Graphitaufbau würde jedoch unter solchen Bedingungen sich abnutzen bzw.-verfallen und sollte auf einer Temperatur von etwa 340 C gehalten"

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werden. So wird das Kernkühlmittel mit einer niedrigeren Temperatur in einem graphitmoderierten Reaktor dazu verwendet, den graphitmoderierenden Kernaufbau zu kühlen. Es kann außerdem dazu verwendet werden, die Kernreaktor-Druckbehälterwand und Trennwände zu kühlen, die sich quer über den Druckbehälter erstrecken, wo diese vorhanden sind, wie bei den späteren Bauarten des britischen AG-R. Auf diese Weise können Einsparungen hinsichtlich der Kosten für die Wärmeisolation erreicht werden.

Die Erfindung ist insbesondere anwendbar bei Reaktorinstallationen, wie sie in der britischen Patentschrift 1 058 518 und in der deutschen Patentanmeldung P 17 64 249.8 ^

(Anwaltsakte 68 051) beschrieben sind, wo CO₀ durch einen ™

2 Mehrstufenkompressor auf etwa 155 kg/cm komprimiert wird, und zwar innerhalb eines Temperaturbereiches von etwa 20 - 100⁰C, wobei bei diesem Temperaturbereich die notwendige Leistung relativ gering ist, und dann vorgewärmt und daraufhin durch eine Gasturbine hindurch expandiert wird. Die Aus- oder Ablaßleitung kann von einer Zwischenstelle im Kompressor bei einer Temperatur von etwa 59⁰C.und einem Druck von etwa 72,8 kg/cm abzweigen. Es ist errechnet worden, daß ein Ablassen von 8 1/2$ bei einer Konstruktion ausreichend sein würde, um den permanenten graphitmoderierenden Kernaufbau auf der gewünschten Temperatur zu halten. Es ist wünschenswert, den Prozentsatz so niedrig wie möglich zu halten, da dies die Mög- | lichkeit ergibt, den Zufuhrerhitzer kleiner zu machen als bei einem größeren Prozentsatz. Um eine Unterkühlung des Graphits dort, wo das sehr kalte Kühlmittel in den moderierenden Kernaufbau gelangt, zu vermeiden, sollten die Kühlmittelkanäle durch den moderierenden Kernaufbau hindurch in Strömungsriehtung möglichst stufenweise konvergieren. Diese Konvergenz führt zu einer geringeren Wärmeübertragung dort, wo die Kühlmittelkanäle größer sind.

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Die Erfindung wird nunmehr anhand d-er sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt

Fig. 1 eine schematische Anordnung eines gasgekühlten Reaktors und dessen Wärmenutzungskreislauf,

Pig. 2 eine Draufsicht auf eine Kernreaktorinstallation,

Fig. 3 eine Alternativanordnung zu der in Fig. 1 dargestellten, bei welcher eine einstiickige Konstruktion eines Wärmetauschers verwendet wird,¹

Fig. 4 eine Darstellung eines Wiedereintritts-Kühl-

mittelkanals in einem moderierenden Kernaufbau eines Kernreaktors, während

Fig. 5 teilweise im Schnitt einen Aufriß durch den

gasgekühlten Reaktor und dessen Wärmenutζungskreislauf entlang der Linie 5-5 der Fig. 2 wiedergibt.

Spezifisches Ausfuhrungsbeiepiel

Dieses wird am leichtesten aus Fig. 1 und Fig. 3 verständlich. Kohlendioxid-Kühlgas aus einem Kernreaktorkern mit einem Druck von 70,35 kg/cm , einer Temperatur von 700 C und einer Dichte von 0,037 g/cm⁵ (2,3 Pfund/Kubikfuß) wird durch eine erste Turbinenstufe 11 hindurchgeleitet, welche einen Generator 23 antreibt, der den Elektrizitätsausgang der Station bildet. Beim Ausstoß aus der Turbinenstufe 11

ρ
mit einem Druck von 28,35 kg/cm ist die Temperatur des

Kühlgases von 585°0 auf 120⁰C in einem Zufuhrerhitzer 12 reduziert worden, welcher aus zwei Teilen besteht, die durch

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eine konzentrische leitung 13 miteinander verbunden sind. Das- kalte Kühlmittel wird daraufhin auf 25⁰O in einem Vorkühler H weiter gekühlt und unterliegt dann einer Kompression in einem Dreistufenkompressor 15, der mit Zwischenstufenkühlern 16a zusammenwirkt, so daß das Kühlmittel den Kompressor mit einem Druck von 155 kg/cm und einer Temperatur von 95 C-verläßt. Die Temperatur wird darm auf 495 C im Zufuhrerhitzer 12 erhöht und der Druck auf 72,1 kg/cm in einer Turbine 16 reduziert, die zum Antrieb des Kompressors 15 verwendet wird. Das Kühlmittel wird darm nach dem Kernreaktorkern zurückgeführt, damit seine Wärmespeicherung vor der Wiederholung des Zyklus ergänzt wird, wobei der hier ins Auge gefaßte Kern von demjenigen Typ ist, der als britischer fortgeschrittener gasgekühlter Reaktor (AG-R) bekannt ist, in dem sich ein moderierender Kernaufbau befindet, der relativ kühl gehalten wird.

Ein Ablaß vonKühlinitt eX, Tm Hächfolgenden "Wiederein™

tritt-Moderatorkühlmittel" genannt, wird vom Ausgang einer der Kompressorstufen bei einem Druck von etwa 77 kg/cm und einer Temperatur von etwa 60⁰C mittels einer Leitung 10 abgenommen und dazu verwendet, den moderierenden Kernaufbau zu kühlen, von dem es austritt, um sich wieder mit dem Hauptstrom des Kühlmittels zu vereinigen, welches die Brennelementkanäle aufwärts strömt.

Infolge der Abmessung des Zufuhrerhitzers kann dieser in sechs Teile unterteilt werden, damit er innerhalb der Wand eingebaut werden kann, und es erscheint am besten, den Wärmenutzungskreislauf in drei parallele Wärmenutzungskreisläufe zu unterteilen, wie sie im wesentlichen mit Be^ug auf Pig. 1 beschrieben sind. Es kann jedoch möglich sein, nur drei Teile zu verwenden, wobei der Wärmenutzungskreislauf der Fig. 3 verwendet werden kann. Ein Trennventil 20 ist in jedem Kreislauf

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zwischen der turbinenstufe 11 und dem Zufuhrerhitzer 12 vorge- sehen; unter gewissen Umständen mag es besser sein, die Trennventile am Einlaß und Auslaß des Druckbehältergewölbes vorzusehen.

Die Reaktorinstallation ist auf einem monolithischen Betonfundament 22 aufgebaut, welches drei Stations-Auagangsgeneratoren auf Plattformen 23a rundherum aufweist. Auf diesem Fundament ruht, wie in Fig» 2 dargestellt, der Beton-Druckbehälter 19. Dieser Behälter ist mit einem der drei parallelen Kreisläufe verlappt bzw. verbunden /lobed/, die einem entsprechenden Flügel /lobe/ zugeordnet sind.

Dieses Fundament befindet sich innerhalb eines Gebäudes 24j welches die üblichen Reaktoreinrichtungen enthält, wie beispielsweise eine Brennstoff-Handhabungsflache 25» einen Bedienungsblock 26 und eine elektrische Transformatoreinheit

Fig_o 5 ist ein Schnitt durch die Wand des Druckbehälters .,lindürch und zeigt einen Teil des Kerns des Reaktors» Das Innere oder das Gewölbe des Druckbehälters und der Kern .sind sehr ähnlich denjenigen, die in der deutschen Patentanmeldung ρ 16 H 949.8 (Anwaltsakte 67 106) beschrieben sind, mit anderen Worten ausgedrückt, ein moderierender Kernaufbau 25 wird in Kolonnen 26 aus blockähnlichen Teilen auf einer Schicht 27 aus Platten gehalten, die entweder unmittelbar je durch eine Säule 28 oder durch Überbrückungen zwischen zv/ei säulengetragenen Platten mit einer gewissen Wärmeausdehnungsmöglichkeit gehalten werden, wobei der Kern gegen Ausv/ärtsbewegung durch Halter 29 am Behälter festgehalten wird, die Brennelementkanäle, welche Brennstoffelemente enthalten, verlaufen durch den Kernaufbau hindurch, und eine Stahl-Trennwand 30, welche den Kühlmitteleinlaß und Kühlmittelausl'aß über dem eigentlichen Kern trennt,

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trägt seitlich nachgiebige Vorrichtungen 31· Bei einigen Konstruktionen kann auch eine Beton-Trennwand verwendet werden. Die Hauptunterschiede bestehen darin, daß eine bessere Wärmeisolierung für die Wände des Druckbehälters in Form von Paketen von 0,1-mm dicken Edelstahlfolien (nicht dargestellt) zusätzlich zur Itfeutronenabschirmung 32 vorgesehen ist, daß keine öffnungaklappe erforderlich ist unü daß Kühlmittelkanäle 35 (Fig. 4) im moderierenden Kernaufbau abgestuft sind, um das Ausmaß der Moderatorabkühlung durch das hereinkommende, relativ kalte Viiedereintritts-Moderatorkühlmittel zu vermindern. Somit sind die Kanäle oben größer und unten kleiner; sie sind daher in Richtung der Kühlrnittelströmunö konvergent. Diese Konvergenz braucht nicht unbedingt stufenweise zu sein, sondern könnte auch kontinuierlich sein, aber eine stufenweise Konvergenz begünstigt die l'urbulenz, die zumindest an den unteren Enden der Kanäle erwünscht ist.

V/eitere Konstruktionseinzelheiten gehen aus der deutschen Patentanmeldung P 17 64 249.8 hervor.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im 'beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombiantion — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

Patentansprüche

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Claims (4)

DIPL-ING. ERICH SCHUBERT . τ.««,, obt«3240» Tolegramm-Adr.: Patschub, Siegen Postscheckkonten: Köln 106931, Esjen 20362 Bankkonten: Deutsche Bank AG., Abs.: Patentanwalt Dipl.-Ing. SCHUBERT, 59 Siegen, Eiterner StraBe 227 Filialen Siegen u. Oberhäuten (RhId.) Postfach 325 68 089 Kü/Schm 18. Okt. 1968 Patentansprüche

1. Gasgekühlter Kernreaktor mit einem Reaktorkern, · einer Wärmenutζungsanlage und einer Kühlmittelumlaufeinrichtung zum leiten des Kühlmittels durch den Kern und diese Anlage hindurch, wobei diese Einrichtung einen Kompressor und einen Kahlmittelzufuhrerhitzer zum Komprimieren und Erhitzen des Kühlmittels vor dessen Eintritt in den Reaktorkern aufweist, gekennzeichnet durch eine Aus- oder Ablaßleitung, welche einen Teil des Kompressors umgeht, um einen Teil des Kühlmittels mit einer niedrigeren Temperatur und einem niedrigeren Druck zu führen und einige Komponenten oder Teile des Reaktorkerns zu kühlen.

2. Reaktor nach Anspruch 1, bei welchem der Reaktorkern einen moderierenden Kernaufbau und Brennelemente auf v/eist, die in Brennelementkanälen durch diesen Kernaufbau hindurch angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile, die durch das Niedertemperatur-Kühlmittel gekühlt werden, den moderierenden Kernäufbau aufweisen.

3· Reaktor nach Anspruch 2, bei welchem der moderierende Kernaufbau blockähnliche Teile aufweist und von Kühlmittelkanälen zusätzlich zu den Brennelementkanälen durchdrungen ist, wobei das Kühlmittel in der einen Richtung durch die Kühlmittelkanäle

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strömt, uiii diese blockähnlichen Teile zu kühlen, und dann durch die Brennelementkanäle, um die Brennelemente zu kühlen, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel mit einer geringeren Temperatur durch diese Kühlmittelkanäle gerichtet wird und sich mit dem anderen Kühlmittel vereinigt, "bevor es durch die Brennelementkanäle gelangt.

4. Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelkanäle stufenweise in Sichtung der durch sie hindurchgehenden Kühlmittelströmung konvergent sind.

5* Reaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlaufeinrichtung das Kühlmittel durch einen ersten Teil der Warmenutzungsanlage, den Zufuhrerhitzer, in welchem Wärme abgezogen wird, um das Kühlmittel vor dessen Eintritt in den Reaktorkern zu erwärmen, einen Kühler, einen Kompressor, den Zufuhrerhitzerj in welchem es diese abgezogene Wärme gewinnt, einen zweiten Teil der Wärmenutζungsanlage, den Reaktorkern und zurück nach dem ersten Teil der Wärmenutzungsanlage richtet bzw. leitet.

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