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Gasgekühlter Reaktor Gegenstand der Neuerung ist ein gasgekühlter
Reaktor, bei dem der gesamte Primärkreislauf des Eühlgases in voneinander abgetrennten,
gasdichten Kammern untergebracht ist, die vollständig von einem zusätzlicher vorzugsweise
gemeinsamen, gasdichten Mantel umgeben sind.
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Bei dem Bau von Reaktoren benutzte man bisher zur Ummantelung Gefäße
aus Stahl. Stahl hat zwar den Vorteil, daß er durch den Einfluß von Neutronen und
Gammastrahlen kaum verändert wird, sondern im wesentlichen seine spezifischen Werkstoffeigenschaften
behält. Jedoch ist in den hier in Betracht kommenden und zur Verfügung stehenden
Stählen in der Regel ein geringer Anteil von Kobalt enthalten. Nun wird bekanntlich
das Kobalisotop 59 durch Neutroneneinfang radioaktiv, so daß eine starke Strahlungsfähigkeit
des verwendeten Stahles eintritt.
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Die gleichen Schwierigkeiten treten auf, wenn-wie bei den bisher üblichen
Raktoranlagen. der Reaktorkern, der Wärmetauscher und das im Primärkreislauf vorgesehene
Gebläse für das gasförmige Kühlmittel durch Rohrleitungen miteinander verbunden
sind. Da im Falle einer Undichtigkeit o. dgl. eine starke radioaktive Verseuchung
der Umgebung des Primärkreislaufes stattfindet, ist man gezwungen, zusätzliche Schutzummantelungen
von erheblicher Stärke, sogenannte biologische Abschirmungen, vorzusehen, die aber
gleichwohl einen vollständigen Schutz nicht gewährleisten können.
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Aufgabe der Neuerung ist es, einen Reaktor zu bauen, bei welchem der
Primärkreislauf praktisch ohne Rohrleitungen hergestellt und bei dem ferner der
Wärmeaustauscher und das Gebläse möglichst
weitgehend vor dem Einfluß
der Neutronen und Gammastrahlen geschützt sind. Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei
dem neuerunggemäßen Reaktor für die einzelnen Teile des Primärkreislaufes abgetrennte,
gasdichte Kammern vorgesehen, die von einem zusätzlichen, gemeinsamen, gasdichten
Mantel umgeben sind.
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Die erste Voraussetzung zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die,
daß der zusätzliche Mantel nicht nur gasdicht, sondern auch druck-und strahlungsfest
ist. Es hat sich gezeigt, daß ein Mantel, der diesen beiden Bedingungen gleichzeitig
genügt, aus stahlplattierten Spannbeton bestehen kann, insb. dann, wenn die der
Strahlung und den Neutronen am meisten ausgesetzten Teile durch strahlungsabschirmende
Mittel gegen den unmittelbaren Einfluß der Strahlung geschützt werden. Als solches
strahlungsahschirmendes Mittel kommt in erster Linie eine Schicht in Betracht, die
Bor, Mangan und Graphit enthält.
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Durch die Anwesenheit von Bor werden bekanntlich besonders die langsamen
Elektronen stark absorbiert. Durch Hinzufügen von mittelschweren Elementen, wie
z. B. Mangan, können auch die Neutronen mittlerer Geschwindigkeit abgefangen werden.
Das Mangan läßt sich in Form von Manganchlorid benutzen, das mit Bor und Graphit
so vermischt werden kann, daß feste Graphitziegel entstehen.
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Nachdem der Graphit auch die Gammastrahlen verhältnismäßig stark
| absorbiert, wird durch das Einfügen der Bor-Mangan-Graphitschicht |
| der Neutronenfluß so stark herabgesetzt, daß nur ein verhältnis- |
mäßig schwacher Kühlaufwand zum Vernichten der durch die Absorption in weiteren
Schichten entstehenden Wärmen notwendig ist. Die Aktivierung der Bestandteile der
außerhalb der Schutzschicht liegenden weiteren Schichten ist dann schon SD unwesentlich,
daß keine Materialveränderungen durch Strahlungsschäden mehr auftreten können.
Insbesondere
wird die Stahlplattierung des gemeinsamen Spannbetonmantels nicht angegriffen, während
andererseits der Spannbeton den Rest der Gammastrahlen absorbiert und somit eine
zusätzliche biologische Abschirmung praktisch nicht mehr notwendig macht.
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Wenn man aber eine solche aus Gründen von Sicherheitsvorschriften
gleichwohl noch vorsieht, kann sie wesentlich schwächer gehalten werden als bei
den bisher bekannten Reaktoranlagen.
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Eine weitere Voraussetzung zur Lösung der gestellten Aufgabe
| besteht, wie bereits erwähnt, in dem weitgehenden Weglassene. |
| von Rohrverbindungen innerhalb des Brimärkreislaufes bei gleich- |
zeitiger Abschirmung des Wärmeaustauschers vor dem Einfluß der Neutronen-und Gammastrahlen.
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Dies wird bei einem Reaktor mit einem gemeinsamen stahlplattierten
Spannbetonmantel unter Auskleidung der strahlungsgefährdeten Teile dieses Mantels
durch die Zwischenschicht aus einer Mischung aus Bor, Mangan und Graphit dadurch
erzielt, daß die Trennwand zwischen der Kammer für den Reaktorkern und der Kammer
für den Wärmeaustauscher ebenfalls aus Ziegeln aus Bor, Mangan und Graphit hergestellt
wird, wobei für den Durchlaß des gasförmigen Kühlmittels und zur Verteilung desselben
über den Wärmeaustauscher in den Ziegeln in sich abgewinkelte Bohrungen vorgesehen
sind, die ein Durchtreten der geradlinig sich ausbreitenden Neutronen und Gammastrahlen
durch die Bohrungen verhindern.
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Zur Abschirmung des Gebläses genügt es alsdann, die Trennwand zwischen
der Kammer für den Wärmeaustauscher und der Gebläsekammer aus Spannbeton herzustellen,
wobei diese Trennwand durch die.
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Saug-und Druckstutzen des Gebläses durchsetzt ist.
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Zweckmäßig wird die Druckleitung des Gebläses, vorzugsweise innerhalb
der Wärmeaustauschkammer in zwei Zweige aufgespalten, von denen der eine über einen
Ringraum zwischen der Wärmeisolation des Wärmeaustauschers un der die Neutronen
und Gammastrahlen abbremsenden Schicht des gemeinsamen Spannbetonmantels mit einem
Raum unterhalb des ReaktoDernes verbunden ist, während der andere
Zweig
durch die Trennwand zwischen der Wärmeaustauschkammer und der Reaktorkernkammer
hindurchgeführt ist und in einerüber dem Reaktorkern befindliche, von diesem nicht
abgetrennte Mischkammer mündet. Diese Mischkammer hat dann den Zweck, daß das durch
den zweiten Zweig der Druckleitung in einstellbarer bezw. regelbarer Menge von dem
Gebläse unmittelbar zugeführten Kühlgas sich mit dem den Reaktorkern durchströmenden,
aufgeheizten Kühlgas mischt, so daß die Temperatur des am Wärmeaustauscher vorbeiströmenden
Kühlgases eingestellt werden kann.
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Der Wärmeaustauscher selbst besteht vorzugsweise aus einer Mehrzahl
von in üblicher Weise in Schrauben-und/oder Spirallinien gewundenen Rohrbündeln.
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Die Antriebsmaschine für das Gebläse ist in der Regel außerhalb des
stahlplattierten Spannbetonmantels angeordnet. Ist-wie bereits erwähnt-aus Sicherheitsgründen
noch ein zusätzlicher Betonmantel zur biologischen Abschirmung vorgesehene, dann
kann die Antriebsmaschine in dem Zwischenraum zwischen dem stahlplattierten Betonmantel
und dem zusätzlichen Betonmantel angeordnet werden, wobei es weiterhin von Vorteil,
ist, mehrere voneinander getrennte und gasdicht abgeschlossene Bebläsekammern mit
je einem Gebläse und demzufolge auch mehrerer Antriebsmaschinen vorzusehen. Die
notwendigen Antriebswellen sind durch den stahlplattierten Spannbetonmantel in geeigneter
Weise. hindurchgeführt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Neuerung schematisch
dargestellt. Darin bedeutet 1 den Spannbetonmantel, der innen und außen mit Stahlplatten
22, 23 armiert ist, 2 den Reaktorkern, der in einem Traggestell 12 ruht, 3 ist der
Wärmeaustauscher in Gestalt einer Mehrzahl von in Schrauben-und Spirallinien gewundenen
R. hrbündeln, die in einer Kammer 9 angeordnet sind, 4 ist ein Gebläse für das gasförmige
Kühlmittel, Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Gebläse in zwei
getrennten Kammern 18919 vorgesehen.
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5 ist die Trennwand aus Borgraphit zwischen der Reaktorkammer 8 und
der Wärmeaustauschkammer 9. Sie ist mit in sich abgewinkelten Bohrungen 7 zur gleichmäßigen
Verteilung des Kühlgases auf den Wärmeaustauscher 3 versehen.
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6 ist ein Ringkanal zwischen der Wärmeisolierung 11 des Wärmeaustauschers
3 bezw. dem Träger 12 für das Reaktorherz 2 einerseits und der Bbrgraphitschutzschicht
13 des stahlplattierten Betonmantels 1 andererseits. Er führt das Kühlgas unter
das Reaktorherz 2.
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8 ist eine zwischen dem Reaktorkern 2 und der Borgraphittrennwand
5 angeordnete Mischkammer, in welche. eine Zweigleitung 15 des Druckstutzens 14
des Gebläses 4 einen Teil des Kühlgases unmittelbar einführt, wo es sich mit dem
im Reaktorherz 2 aufgehtezten Kühlgas mischt, so daß das gewünschte Kühlgas mit
geeigneter Temperatur in die Kammer 9 des Wärmeaustauschers 3 gelangt.
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Antriebsmotoren 16 sind zwischen dem stahlplattierten Spannbetonmantel
1 und einem zusätzlichen, die biologische Abschirmung erhöhenden Betonmantel 17
angeordnet. Zwischen dem stahlplattierten Spannbetonmantel 1 und der Borgraphitschutzschicht
13 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel noch ein Gußblock 2o und eine zusätzliche
Wärmeisolierung 21 vorgesehen.
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Die Zu-und Abführungsrohre für den Sekundärkreislauf, die bei-
| spielsweise den im Wärmeaustauscher 3 erzeugten Dampf einer |
| u |
| Dampfkraftmaschine zuführen, sind in der Zeichnung der Übersicht- |
| D |
lichkeit halber nicht dargestellt.
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Die Spannbetonschicht setzt die Stärke der Gammastrahlung je 12 cm
Schicht um eine Zehnerpodenz herunter und kann deshalb als ein Teil der biologischen
Abschirmung angesehen werden. Außerdem hat diese Schicht die Funktion, die im Reaktorinneren
erzeugten Druckkräfte der verwendeten Kühlgase aufzufangen. Eine absolute Dichtheit
dieses Spannbetons wird nicht gefordert. Vielmehr wird
die Abdichtung
durch die Stahlschicht 22 erhalten, die auf die innere Oberfläche des Spannbetons
1 aufgelegt wird und die zweite Stahlschicht 23, die an die äußere Oberfläche des
Spannbetons 1 mittels Pratzen befestigt sein kann.
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Die Ausbildung der äußeren gasdichten Stahlschicht 23 erweist sich
noch besonders zweckmäßig dadurch, daß diese S@@icht ständig gut kontrolliert werden
kann. Außerdem ist es möglich, bei einem etwaigen Bruch diese Schicht wieder zu
reparieren. Durch die vorgeschalteten Abschirmungsmittel 13 wird diese Schicht auf
keinen Fall aktiviert, so daß ein ständiger Zugang nach dieser Schicht möglich ist
und daher auch diese Schicht von Hand repariert werden kann.
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Die vorgeschlagene Konstruktion kann so ausgeführt werden, daß Reaktoren
sowohl mit natürlichem Uran (heterogener Reaktor) als auch Reaktoren mit angereichertem
Uran (homogener Reaktor) gebaut werden können. Die Entscheidung, mit welchem Brennstoff
der Reaktor beschickt werden soll, kann somit noch verhältnismäßig kurz vor der
Fertigstellung der Montage getroffen werden.
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Die mögliche hohe Aufwärmung des Kühlgases im Reaktor kann grundsätzlich
im Wärmeaustauscher direkt ausgenutzt und somit ein günstigerer thermischer Ausnützungsfaktor
erreicht werden. Dies ist durch den Wegfall der Rohrleitungen, die eine Begrenzung
der Temperatur erfordern, möglich.
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Durch die Möglichkeit, in der Mischkammer 8 Kaltgas mit dem heißen
Gas zu vermischen, kann die Heißdampftemperatur im Bekundärkretslauf voll ausgeregelt
werden. Dadurch entfällt eine besondere Einspritz-Vorrichtung im Überhitzer des
Wärmeaustauschers, wodurch eine konstruktive Vereinfachung des Wärmeaustauschers
ermögälicht ist. Die beste Ausnutzung des verbleibenden Raumes für den Einbau des
Wärmeaustauschers ist dann gegeben, wenn sich die Wärmeaustauschrohre an die kreisförmige
Außenwand des Spannbeton-- behälters und ebenfalls an den kreisförmigen Querschnitt
des Mischrohres 15 anpassen. Dies ist dadurch gewährleistet, daß
die
Rohre in ringförmigen Spiralen vorgesehen werden. Um die gleiche Länge aller Rohrstränge,
die außerhalb des Reaktors in einem Sammler zusammengeschlossen werden, zu erhalten,
sind die einzelnen Spiralen in mehr oder weniger vielen Windungen ineinandergeschachtelt
angeordnet.
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Durch die Anordnung des Wärmeaustauschers ergeben sieb folgende Vorteile
: 1.) Beste Ausnutzung des anfallenden Raumes durch den'Einbau des Wärmeaustauschers.
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2.) Durch die Form der Wärmeaustausohrohre als Spiralen ist die Wärmedehnung
bestens kompensiert.
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3.) Durch die Vermeidung von kleinen Krümmern ist der Druckerlust
auf der Wasserseite heruntergesetzt.
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Außer den bereits aufgeführten technischen Vorteilen ergeben sich
hinsichtlich der Sicherheit der Anlage noch folgende Vorteile : 1.) Alle möglichen
verseuchten Teile sind in einem einzelnen Behälter 1, der vollkommen gasdicht gebaut
werden kann, untergebracht und für den maximalen Druck, der im System auftreten
kann, ausgelegt. Ein Entweichen von radioaktivem Gas in die Umgebung ist nicht möglich.
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2.) Rohrleitungen und Armaturen, die wegen der hohen Temperatur und
ihrer Größe sehr störanfällig sind, werden vermieden.
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Dadurch kann die Gastemperatur sehr hoch gewählt werden, da eine
Gefährdung der Anlage von dieser Seite her nicht gegeben ist.
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3.) Die Anordnung der Gebläse'erfolgt so, daß die Lager, die betriebsmäßig
gewartet werden müssen, außerhalb des Spannbetonbehälters liegen. Jedes Gebläse
ist in einer getrennten Kammer aufgestellt. Durch einen kleinen Überdruck gegenüber
dem Betriebsdruck kann erreicht werden, daß in dem Raum keine radioaktiven Fetteile
abgelagert werden. Unter Umständen ist somit ein Zugang für Reparaturen der Gebläse
möglich.
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4.) Eine zweckmäßige Rückführung des Kühlgases, das gegebenenfalls
in einem getrennten oder im Wärmeaustauscher des Reaktors selbst auf beliebig niedrige
Temperaturen heruntergekühlt werden kann, gibt eine erhöhte Sicherheit für den Schutz
des Behälters.
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5.) Durch die vorgeschlagene Heißdampfregulierung über den Mischgaseffekt
im Primärkreislauf fallen Regeleinrichtungen auf der Sekundärkreisseite weg, wodurch
die Betriebssicherheit erhöht und die Konstruktion des Wärmeaustauschers vereinfacht
wird.
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6.) Die besondere Konstruktion des vorgeschlagenen Wärmeaustauschea
erhöht ebenfalls die Betriebssicherheit der Anlage wesentlich.