DE2160507B2 - Einrichtung zum Kühlen der Strukturwerkstoffe eines Reaktorkerns und zum Abführen der Nachzerfallswärme - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Kühlen der Strukturwerkstoffe des von einem Reflektor umgebenen Reaktorkerns eines mittels Gas gekühlten Kernreaktors, wobei der Reaktorkern innerhalb eines mit Abstand von dem Reflektor angeordneten Reaktorbehälters aus Spannbeton od. dgl., der einen Gaseinlaß und einen Gasauslaß für das Kühlgas aufweist, angeordnet ist, sowie zum Abführen der nach dem Abschalten des Kernreaktors auftretenden Nachzerfallswärme.

Bei einem gasgekühlten thermischen Kernreaktor, insbesondere bei Hochtemperaturreaktoren, ist es notwendig, sowohl die beim Leistungsbetrieb in den Strukturmaterialien, wie dem Reflektor, sonstigen Graphiteinbauten, dem thermischen Schild usw. erzeugte Wärme als auch die nach dem Abschalten des Kernreaktors mit der Zeit abklingende, nicht unterdrückbare Nachzerfallswärme abzuführen.

Das geschah bisher dadurch, daß das zum Kühlen des Reaktorkerns verwendete Gas vor Eintritt in den Reaktorkern an den zu kühlenden Bauteilen so vorbeigeführt wurde, daß dabei die Wärme an das Gas abgegeben wurde. Aus der DT-PS 2 228 726 ist es bekannt, das Kühlgas an einem zwischen einem metallischen Druckbehälter und dem Reflektor angebrachten thermischen Schild vorbeizuführen. Die notwendige Kühlung der Bauteile kann mit diesen Maßnahmen jedoch insbesondere dann nicht erreicht werden, wenn der

ίο Reaktorkern in einem Behälter aus Spannbeton angeordnet ist, dessen Wandungen auf einer Temperatur gehalten werden müssen, die unterhalb 60°C liegt und wenn die Temperatur des in den Reaktorkern eintretenden Kühlgases bei oder oberhalb 400° C liegt. Die Abführung der Nachzerfallswärme führt dann zu Schwierigkeiten, wenn in den in Frage kommenen Bauelementen des Kernreaktors technologisch unzulässig hohe Temperaturen erreicht werden. Dies ist wegen der hohen Wärmekapazität der Baustoffe der Reaktor-

ao bauelemente nach Abschalten des Kernreaktors zwar dann erst nach Ablauf eines größeren Zeitraums der Fall. Doch können die Temperaturen nach Ablauf dieses Zeitraums erheblich sein. Daher ist es notwendig, zum Abführen der Nachzerfallswärme zusätzliche, be-

*5 sondere Maßnahmen zu treffen, wenn das wie üblich an den Reaktorkern sich anschließende Kreislaufsystem nicht mehr in Funktion ist, oder wenn innerhalb des Kernreaktors die zur Kühlung notwendige, zwangsweise verlaufende Gasumwälzung nicht mehr sichergestellt ist. Um auch diese Wärme abzuführen, werden Umwälzgebläse verwendet, durch die das Kühlgas durch den Reaktorkern befördert und durch die das sich beim Durchströmen des Reaktorkerns aufheizende Gas solchen Stellen zugeleitet wird, an denen das Gas wieder abgekühlt wird. Diese Maßnahme ist zwar ausreichend bei sogenannten Zweikreisanlagen, bei denen das zur Kühlung des Reaktorkerns verwendete Gas nicht zugleich das den nachgeschalteten Kreislauf durchströmende Gas ist. Dabei sind die im Normalfall in dem Kreislaufsystem vorgesehenen Dampferzeuger die Abkühlungsstellen. Bei sogenannten Einkreisanlagen jedoch, bei denen das Kühlgas zwar auch das den nachgeschalteten Kreislauf durchströmende Gas ist, und bei denen die Gasabkühlungsstellen die in dem Gaskreislauf vorhandenen Vor- oder Zwischenkühler darstellen, wirken sich Störungen im Primärkreislauf sehr nachteilig aus. Entweder gelangt das Kühlgas nicht mehr an die im Kreislauf angeordneten und zur Abkühlung des Gases vorgesehenen Kühler, oder das Kühlgas kann nicht mehr zwangsweise umgewälzt werden. Daher war es notwendig, besondere zusätzliche Kühler und/oder andere Einrichtungen zur Umwälzung des Gases vorzusehen. Das ist jedoch mit einem zusätzlichen Kostenaufwand verbunden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zum Kühlen der Bauelemente eines gasgekühlten Reaktorkerns und zum Abkühlen der nach dem Abschalten eines Kernreaktors auftretenden Nachzerfallswärme zu schaffen, durch die unabhängig von der Art einer etwa im Reaktorkühlgaskreislauf auftretenden Störung die Kühlung der Bauelemente und auch die Abführung der Nachzerfallswärme sichergestellt wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in an sich bekannter Weise innerhalb des von dem Reflektor und dem Reaktorbehälter gebildeten Ringraumes ein die dem Reaktorkern zugekehrte Wandung des Reaktorbehälters vor Wärmeeinwirkung schützender thermischer Schild aneeordnet ist. daß

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zwischen diesem thermischen Schild und dem Reflektor ein an sich bekannter Rippenkühler vorgesehen ist und daß in dem zwischen diesem Rippenkühler und dem Reflektor gebildeten Ringraum entweder Kühlgas oder ein zur Wärmeübertragung geeigneter fester Stoff vorhanden ist, daß weiterhin innerhalb des Reaktorbehälters mehrere über Gasführungen mit ihrer Saugseite mit dem Rippenkühler und mit ihrer Druckseite mit dem Gaseinlaß für das den Reaktorkern durchströmende Kühlgas sowie mit einem zur Druckseite hin mittels Klappen verschließbarem Raum in Verbindung stehende Umwälzgebläiie angeordnet sind, wobei die obere Gaszuführung und die Gasführung für das den Rippenkühler durchströmende Gas mittels durch Klappen verschließbare Crinungen verbunden sind, und daß für den Fall, daß der zwischen Reflektor und Rippenkühler gebildete Ringraum Kühlgas enthält, d*.n Ringraum abschließende Klappen vorgesehen sind, und daß zwischen dem von dem Rippenkühler eingenommenen Raum und dem Gasauslaß für das den Reaktorkern durchströmende Kühlgas eine als thermische Gasumlenkungssperre ausgebildete Gasführung vorgesehen ist.

Die Übertragung der abzuführenden Wärme an den Rippenkühler erfolgt dabei, sofern in dem Ringraum ein fester Stoff angeordnet ist, durch Wärmeleitung oder aber, sofern der Ringraum von dem zur Kühlung verwendeten Gas ausgefüllt wird, durch Konvektion. Erfolgt die Wärmeleitung durch Konvektion, so ist der Rippenkühler zweckmäßig nach der dem Ringraum zugekehrten Seite hin verschlossen, jedoch nach eben und unten offen. Dabei erfolgt die Kühlung so, daß das im Rippenkühler befindliche Gas mit dem den Reaktorkern durchströmenden Gas einen Gaskreislauf bilden kann. Statt dessen kann selbstverständlich auch aus dem von d*:m Rippenkühler eingeschlossenen Raum und von dem Ringraum ein geschlossener Gaskreislauf gebildet werden. Ist der Ringraum mit einem wärmeleitenden festen Stoff ausgefüllt, so kann mittels Umwälzgebläsen und Absperrorganen eine den jeweiligen Bedingungen im Reaktor weitgehend angepaßte Strömung für die zusätzliche Kühlung erzwungen werden. Eine den jeweiligen Erfordernissen Rechnung tragende Anpassung ist selbstverständlich ebenfalls möglich, wenn der Ringraum von dem Kühlgas ausgefüllt ist.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 den Reaktorkern eines gasgekühlten Kernreaktors mit im Ringraum enthaltenem Kühlgas,

F i g. 2 den Reaktorkern eines gasgekählten Kernreaktors mit einem im Ringraum enthaltenem Feststoff.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, durchströmt das Kühlgas den Reaktorkern 1 über das im Gaseinlzß 2 für das Kühlgas vorgesehene Absperrorgan 3 von oben nach unten und tritt über das im Gasauslaß 4 vorgesehene Absperrorgan 5 wieder aus dem Reaktorkern 1 aus. Der Reaktorkern 1 ist in einem Reaktorbehälter 6 aus Spannbeton angeordnet, und von einem Reflektor 7 allseitig umgeben. Zu der senkrechten Außenwandung des Reflektors 7 und der dieser Wandung gegenüberliegenden Wandung des Reaktorbehälters 6 wird ein Ringraum 11 gebildet Zum Schutz des Betons des Reaktorbehälters 6 ist an der dem Reflektor 7 zugewandten Wandung ein thermischer Schild 8 angeordnet.

Mit dem thermischen Schild 8 und der Wand des Reaktorbehälters 6 ist eine Kühlung 9 verbunden. Dadurch wird erreicht, daß ein Teil der auf dem mit dem thermischen Schild 8 verbundenen Rippenkühler 10 übertragenen Wärme abgeführt wird. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist der Rippenkühler 16 zu der dem Reflektor 7 zugewandten Seite hin mittels eines thermischen Schildes 8a od. dgl. abgedeckt. Dabei sind der thermische Schild 8, der Rippenkühler 10 und der an diesem zur Abdeckung gegenüber dem Ringraum 11 vorgesehene thermische Schild Sa so ausgebildet, daß

ίο für den Fall, daß der zwischen dem Reflektor 7 und dem Reaktorbehälter 6 frei bleibende Ringraum 11 von dem Kühlgas ausgefüllt wird, so daß das Gas den Rippenkühler 10 ungehindert durchströmen kann. Bei dieser Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung steht der obere Auslaß des Rippenkühlers 10 mit der Saugseite mehrerer, oberhalb des Reaktors, vorzugsweise am Umfang des Reaktors angeordneter Umwälzgebläse 12 zur Förderung des Kühlgases — von denen in der Zeichnung nur zwei dargestellt sind — in Verbindung. In Strömungsrichtung des Gases gesehen hinter den Umwälzgebläsen 12 sind Klappen 13 angeordnet, durch die das von den IJmwälzgebiäsen 12 zugeführte Gas zur oberen Seite des Kernreaktors geführt werden kann. Der zwischen dem Reflektor 7 und

a5 dem keaktorbehälter 6 gebildete Ringraum 11 ist nach oben hin durch Klappen 14 verschließbar. Außerdem sind zwischen der oberen Gaszuführung 15 für das den Reaktorkern 1 durchströmende Kühlgas und auf der Saugseite der Umwälzgebläse 12 in der Gasführung zum Ringraum 11 und der für das den Reaktorkern 1 durchströmende Gas vorgesehenen Gasführung 16 mittels Klappen 17 verschließbare öffnungen vorgesehen. Im Leistungsbetrieb des Reaktorkerns 1 sind die Klappen 13 und 17 geschlossen, dagegen die Klappen 14 geöffnet. Die Umwälzgebläse 12 sind abgeschaltet Das sich im Ringraum 11 erwärmende Gas steigt auf und kühlt sich im Kreislauf beim Durchströmen des Rippenkühlers 10 wieder ab. Es bildet sich somit ein stetiger natürlicher Konvektionsstrom. Da außerdem in der Kernabstützung 18 eine den Ringraum 11 und den Gasauslaß 4 für das den Reaktorkern 1 durchströmende Kühlgas verbindende thermische Gasumlenkungssperre 19 vorgesehen ist, wird ein Massenaustausch zwischen dem im Ringraum 11 und im Rippenkühler 10

♦5 zirkulierenden Gas und dem den Reaktorkern 1 durchströmenden Kühlgas vermieden. Wird die Einrichtung gemäß der Erfindung so betrieben, daß die Nachzerfallswärme nach dem Abschalten des Reaktors abgeführt werden soll, so sind die Klappen 14 und 17 geschlossen und die Klappen 13 geöffnet. Die Umwälzgebläse 12 sind in Betrieb. Außerdem sind die im Gaseinlaß 2 oder im Gasauslaß 4 angeordneten Absperrorgane 3 oder 5 geschlossen. In diesem Falle wird durch die Umwälzgebläse 12 eine Gasströmung durch den Reaktorkern 1 und den Rippenkühler 10 erzwungen, wobei das Gas von der Reaktoraustrittsseite durch die Gasumlenkungssperre 19 und durch den Rippenkühler 10 strömt.

Soll das Abführen der Nachzerfallswärme bei Ausfall

So der Umwälzgebläse 12 erfolgen, sind die Klappen 13 und 14 verschlossen und die Klappen 17 geöffnet. Außerdem sind in diesem Betriebsfall Gaseinlaß 2 und Gasauslaß 4 für das den Reaktorkern 1 durchströmende Kühlgas geschlossen. In diesem Falle stellt sich im Reaktorkern eine zunächst aufwärts und im Naturumlauf durch den Rippenkühler 10 gelenkte Gasströmung ein. Dabei kühlt sich das erwärmte Gas im Rippenkühler 10 ab und gelangt von dort durch die Gasumlen-

kungssperre 19 wieder in den Reaktorkern.

In dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Ringraum 11 von einem festen Stoff ausgefüllt. Die aus dem festen Stoff gebildete Schicht ist dabei kreisringförmig um den Reflektor 7 angeordnet und steht in Verbindung mit dem äußeren Umfang des Rippenkühlers 10. Im Leistungsbetrieb des Kernreaktors sind auch bei dieser Ausftihrungsform die Klappen 13 und 17 geschlossen und die Umwälzgebläse 12 abgeschaltet. Die Wärme wird von dem Reflektor 7 mittels der den Ringraum 11 ausfüllenden Feststoffschicht unmittelbar über den Rippenkühler 10 an die in der Wandung des Reaktorbehälters 6 vorgesehene Kühlung 9 abgeführt. Die Gasumlenkungssperre 19 verhindert auch in diesem Falle einen Gasaustausch zwischen dem im Rippenkühler 10 befindlichen Gas und dem den Reaktorkern 1 durchströmenden Kühlgas.

Die Abführung der Nachzerfallswärme nach dem Abschalten des Kernreaktors erfolgt in der Weise, daß die Klappen 17 geschlossen und die Klappen 13 geöffnet sind. Außerdem sind entweder die in dem Gaseinlaß 2 oder Gasauslaß 4 am Reaktorbehälter 6 angeordneten Absperrorgane 3 oder 5 geschlossen. In diesem Fall wird von den Umwälzgebläsen 12 gekühltes Gas zur oberen Gaszuführung 15 des Reaktorkerns 1 geleitet und heißes Gas von dem Gasauslaß 4 des den Reaktorkern 1 durchströmenden Gases angesaugt, da der Gasauslaß 4 durch die Gasumlenkungssperre 19 mit dem Ringraum 11 in Verbindung steht. Das in dieser

ίο Weise umgewälzte Gas wird im Rippenkühler 10 abgekühlt.

Zum Abführen der Nachzerfallswärme bei Ausfall der Gasiimwälzpumpen 12 sind die Klappen 13 geschlossen und die Klappen 17 geöffnet. Dadurch wird im Reaktorkern 1 eine zunächst aufwärts gerichtete und im weiteren Verlauf so umgelenkte Strömungsrichtung gebildet, daß der Rippenkühler 10 durchströmt und somit das Gas abgekühlt wird. Im Anschluß daran wird das Gas dem Reaktorkern 1 über die Gasumlen-

ao kungssperre 19 wieder zugeführt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Einrichtung zum Kühlen der Strukturwerkstoffe des von einem Reflektor umgebenen Reaktorkerns eines mittels Gas gekühlten Kernreaktors, wobei der Reaktorkern innerhalb eines mit Abstand von dem Reflektor angeordneten Reaktorbehälters aus Spannbeton od. dgl., der einen Gaseinlaß und einen Gasauslaß für das Kühlgas aufweist, angeordnet ist, sowie zum Abführen der nach dem Abschalten des Kernreaktors auftretenden Nachzerfallswärme, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise innerhalb des von dem Reflektor (7) und dem Reaktorbehäker (6) gebildeten Ringraumes (II) ein die dem Reaktorkern (I) zugekehrte Wandung des ReaktorbehäJters (6) vor Wärmeeinwirkung schützender thermischer Schild (8) angeordnet ist, daß zwischen diesem thermischen Schild (8) und dem Reflektor (7) ein an sich bekannter Rippenkühler (10) vorgesehen ist und daß in dem zwischen diesem Rippenkühler (10) und dem Reflektor (7) gebildeten Ringraum entweder Kühlgas oder ein zur Wärmeübertragung geeigneter fester Stoff vorhanden ist, daß weiterhin innerhalb des Reaktorbehälters (6) mehrere über Gasführungen (16) mit ihrer Saugseite mit dem Rippenkühler (10) und mit ihrer Druckseite mit dem Gaseinlaß (2) für das den Reaktorkern (1) durchströmende Kühlgas sowie mit einem zur Druckseite hin mittels Klappen (13) verschließbarem Raum in Verbindung stehende Umwälzgebläse (12) angeordnet sind, wobei die obere Gaszuführung (15) und die Gasführung (16) für das den Rippenkühler (10) durchströmende Gas mittels durch Klappen (17) verschließbare öffnungen verbunden sind, und daß für den Fall, daß der zwischen Reflektor (7) und Rippenkühler (10) gebildete Ringraum (U) Kühlgas enthält, den Ringraum (11) abschließende Klappen (14) vorgesehen sind, und daß zwischen dem von dem Rippenkühler (10) eingenommenen Raum und dem Gasauslaß (4) für das den Reaktorkern (I) durchströmende Kühlgas eine als thermische Gasumlenkungssperre (19) ausgebildete Gasführung vorgesehen ist.