DE2216848A1 - Kernreaktor-Aufbau - Google Patents

Description

!.-!n^. r:. ■-.■-: γ. τ 2 i ipi:*... '- '-λ :- ~~ Dr.-lnr.·. !- ^:;: ■- * ^ZJr 8l*ünchen£2, Steinedorfelr.

410-18.598P 7. 4. 1972

Commissariat ä 1'Energie Atomique, Paris (Prankreich)

Kernreaktor-Aufbau

Die Erfindung betrifft einerseits die Anordnung des Reaktorkerns eines gasgekühlten Kernreaktors relativ zu den Wärmetauschern oder Dampferzeugern im Falle einer Energiewiedergewinnung mittels Dampfkreislaufes und zu den Gebläsen, die den Umlauf des Kiihlgases bewirken, und andererseits den allgemeinen Aufbau dieser Reaktorart und insbesondere eines den Kern und die Wärmetauscher umgebenden Spannbeton-Behälters.

Die Erfindung soll, um Einfachheit des Gasumlaufes mit den Erfordernissen guten Wirkungsgrades der Wärmetauscher zu vereinigen, eine Austrittsströmung niedriger Temperatur ausnutzen, um den heißen Kerribereich von den kalten Bauteilen des Behälters zu trennen, ferner - eine einfache Form und eine wirtschaftliche Herstellung dieses Spannbeton-Druckbehälters ,. - ergeben, ferner .. eine gute Begrenzung der Innenräume dieses Behälters sowie gute Möglichkeiten der

209850/0630

Unterhaltung und des Ausbaues der Hauptbestandteile (Wärmetauscher und Gebläse) .. sichern sowie endlich genügende Standfestigkeit des Kernes dank guter Abstützung verbürgen.

Die Erfindung kommt fn Betracht für die meisten durch Gas (COp, Helium) gekühlten Reaktortypen, gleichgültig ob mit thermischen Neutronen (mit stabförmigen oder mit kugelförmigen Brennelementen) oder mit schnellen Neutronen und ob mit Energiegewinnung durch Dampfkreislauf oder selbst durch direkten Kreislauf mit Gasturbine.

Es ist zur Zeit allgemein üblich, das Kühlmittel durch den Kern von oben nach unten umlaufen zu lassen. Es ist andererseits sehr wünschenswert, daß die Verdampfung des Wassers in den Dampferzeugern auf natürliche Weise aufwärts geschehe und daher das Gas die Dampferzeuger abwärts durchströmt, damit diese, insbesondere bei Teillast, mit gutem Wirkungsgrad arbeiten. Zu diesem Zweck hat man zwei Arten des Reaktor-Aufbaues vorgeschlagen:

a) Anordnung der Wärmetauscher unterhalb des Kernes in gemeinsamem, einzigem Raum,

b) Anordnung der Wärmetauscher in gesonderten Räumen, die ringsjum den Kern, in gleicher Höhe wie dieser, in der Seitenwand des Spannbeton-Behälters angeordnet sind.

Die erste Anordnung ist günstig hinsichtlich der allgemeinen Stromrichtung des Gasstromes und verhältnismäßig einfacher Ausführung des Spannbeton-Behälters. Sie ist ungünstig hinsichtlich der Standfestigkeit des Kerns, insbesondere bei Erdbeben, da der Kern von Bauteilen großer Höhe getragen werden muß, ferner hinsichtlich des Schutzes der unter dem Kern

209850/0630

befindlichen Anlageteile gegen Neutronen, der durch einen beträchtlichen Schutzschild bewirkt werden muß,ferner hinsichtlich der Ausbaubarkeit der Wärmetauscher und schließlich hinsichtlich der großen Menge an Helium, die der Kreislauf infolge der im Niedrigtemperatur-Bereich vorhandenen großen Toträume erfordert. Umgekehrt bietet die zweite jener Anordnungen Vorteile hinsichtlich der Standfestigkeit des Kerns, der Ausbaubarkeit der Wärmetauscher, des Schutzeskegen Neutronen und der zum Betrieb nötigen Heliummenge, aber Nachteile, weil der Spannbeton-Behälter, der dort großen Durchmesser hat, sehr gewichtig und schwieriger ausführbar ist und wegen der Stromrichtung des Gasstromes in den Wärmetauschern.

Die Erfindung betrifft einen neuen Aufbau für einen Kernreaktor, der die Vorteile der bekannten Lösungen, aber nicht deren Nachteile hat. Sie ist besonders interessant im Falle, daß die Leistung des Reaktors und der Druck des Kühlgases gesteigert werden sollen.

Die Erfindung betrifft also einen Aufbau eines gasgekühlten Kernreaktors mit Druckbehälter senkrechter Achsrichtung aus Spannbeton und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter in seinem oberen Teil einen Hauptraum, der den Reaktorkern enthält, und in seinem unteren Teil unterhalb der Höhenlage des Kernes senkrechte Räume aufweist, die an ihrem oberen Ende mit dem Hauptraum verbunden sind und die geometrisch gleichmäßig rings um die Achse des Behälters verteilt sind und an ihrem unteren Ende an der Unterseite des Behälters ausmünden.

Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen

209850/0630

Reaktor-Aufbaues gehen aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführüngsbeisfciele und den sie darstellenden Zeichnungen hervor. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausfuhrungsform des Aufbaues eines Hochtemperatur-Reaktors in schematischem Längsschnitt entlang der Linie AA¹ der Pig. 2;

Fig. 2 einen halben Querschnitt derselben;

Fig. 3 eine zweite AusfUhrungeform des Aufbaues eines Hochtemperatur-Reaktors anderer Art in schematischem Längsschnitt;

Fig.4 eine dritte Ausführungsform eines gasgekühlten Reaktors mit schnellen Neutronen;

Fig. 5 einen Querschnitt derselben;

Fig. 6 eine weitere Vervollkommung der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform.

In allen Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In allen Fällen betreffen die gewählten Beispiele Reaktoren mit Ausnutzung der Energie durch Dampfkreislauf. Der erfindungsgemäße Aufbau ist aber ebenso geeignet für Reaktoren mit Energieausnutzung durch unmittelbaren Kreislauf mit Gasturbine, mindestens was die Anordnung der Anlageteile, z. B. der Wärmetauscher und der Kühler, in senkrechten Räumen betrifft.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen einen Spannbeton-Druckbehälter für einen Kernreaktor, bei dem die Erneuerung der (nicht gezeichneten) Brennelemente und die Steuerung des Betriebes

209850/0630

von oben her durch öffnungen 2 des Behälters geschieht. Im Inneren des Behälters 1 befindet sich ein Hauptraum J>, der den Reaktorkern 4 enthält. Dieser Kern 4 wird gekühlt durch einen absteigenden Strom eines Wärmeträgergases, das danach in einem warmen Raum 5 sich sammelt und durch einen Kanal 6 zu den Rohrbündeln eines Dampferzeugers 7 fließt, den es abwärts, von oben nach unten, durchströmt. Dieses Gas wird danach von einem Verdichter oder Gebläse 8 verdichtet und aufwärts durch die Räume 9 und 10 zum Kern zurückgefordert; dies geschieht bei der unteren Temperatur des Kreislaufs. Unter dem Dampferzeuger 7 und um den Verdichter 8 sind Leitungen 11 angeordnet, welche das Wasser zuführen und den Dampf abführen. Jeder Dampferzeuger ist in je einem Sekundär-Raum 12 angeordnet, der an seinem unteren Ende durch einen Pfropfen 13 verschlossen ist. Unter dem Reaktor befindet sich ein offener Raum 14, in dem den Behälter tragende Stützen 14a angeordnet sind; er dient zum Ausbau der im Raum 12 befindlichen Anlageteile nach unten. Die Höhe dieses Raumes 14 ist gering, denn zum Ausbau werden jene Anlageteile zerlegt. Der Kern ruht auf der in der Mitte befindlichen Betonmasse 15 mittels einer Konstruktion, welche hohe Temperaturen verträgt und eine ausreichende Wärmedämmung für den Behälter ergibt.

In Fig.3 sind die erfindungseigentümlichen Bauelemente in einer abgewandelten Ausführungsform wiederholt. Das Besondere betrifft hler die Form der im Kern des Reaktors verwendeten Brennelemente] diese sind kugelförmig und werden nach unten abgeführt mit Hilfe einer Vorrichtung l6, die Im Inneren der zentralen Betonmasse 15 angeordnet ist.

I Die in Pig.4 gezeigte Auaführungßform unterscheidet sich

209859/0630

von den vorbeschriebenen noch mehr; sie gilt für einen gasgekühlten Kernreaktor mit schnellen Neutronen. Auch dort.

findet sich der Spannbeton-Behälter 1, der Hohlraum 3, der den Kern 4 enthält, der Raum 5» in dem sich das heiße Gasjsammelt, die Leitung 6, der Dampferzeuger 7, der Verdichter 8, die Ringräume 9 und 10, die Leitungen 11, die senkrechten Räume 12, die an ihrem unteren Ende durch Pfropfen 13 verschlossen sind, und der für den Ausbau dienende offene Raum 14. Ein wesentlicher Unterschied aber ist, daß um den Kern herum am ganzen Umfang des zentralen Raumes ein dicker Neutronen- und Wärme-SchutzschiId 17 vorhanden istj dieser kann mindestens teilweise durch das von den Wärmetauschern in Richtung zum Kern zurückfließende Gas gekühlt werden, und zwar ohne komplizierte Ableitung, nämlich ohne daß die natürliche Richtung des Gasstromes geändert würde. Ein weiterer Unterschied betrifftjdas Einbringen und Ausbringen von Brennstoff durch die Unterseite, nämlich durch Vorrichtungen 18, die im Inneren der zentralen Betonmasse 15 angeordnet sind. Besondere senkrechte Räume 19 sind vorgesehen zur Aufnahme von Not-Kühleinrichtungen 20, die bei dieser Art von Reaktoren evtl. nötig sind.

Bei den oben beschriebenen Beispielen ruht der Behälter auf dem Brdboden mittels im Raum 14 angeordneter Stützen 14a, die den Behälter an seiner Unterseite tragen. Fig. 6 zeigt eine Altführungsform, bei der die Abstützung des Behälters anders geschieht. Hier hat der unterste Teil des Behälter» einen kleineren Durchmesser als der übrige, Insbesondere der obere Teil; dadurch bildet er in einer Höhe, die zwischen seiner Unterseite 22 und der Deoke des Raumes 3 liegt, eine •Schulter 23, die als Stützfläche für eine Tragkonstruktion dient. An der Unterseite 23 sind zur Abdichtung der senkrechten

209850/0630

Räume 12 Pfropfen Ij5 angebracht sowie gegebenenfalls Anker für Längs-Spanndrähte 25. Die am Umfang des Behälters angeordneten unteren Spannköpfe 26 der Spanndrähte 27 sind an der Schulter 23 vorteilhafterweise zwischen den Stützflächen für die Tragkonstruktion 24 angeordnet.

Die Anordnungen, die in den oben beschriebenen Beispielen gewählt sind, sind keineswegs die einzig möglichen. Insbe·* sondere kann die Anordnung der Verdichter oder Gebläse 8 geändert werden; es würde z. B. in den Rahmen der Erfindung fallen, wenn statt stehender Verdichter oder Gebläse in senkrechten Räumen 12 liegende Verdichter bzw. Gebläse in waagerechten Räumen angeordnet würden. Diese Bemerkung gilt analog auch für die Leitungen 11, welche Wasser und Dampf zu- bzw. abführen; sie könnten in der Behälterwand anstatt senkrechte auch andere, z. B. waagerechte Richtung haben.

Der betrachtete Kernreaktor-Aufbau bietet zahlreiche Vorteile; von diesen seien die folgenden ganz besonders hervorgehoben: In erster Linie und infolge des abwärts gerichteten Umlaufströmes des Wärmeträgergases in den Dampferzeugern entsteht in diesen ein aufsteigender Strom des Wassers, das zunehmend in Dampf umgewandelt und schließlich am oberen Ende dieser Dampferzeuger In Heißdampf umgewandelt wird; diese aufsteigende Bewegung des Dampfes, die ja der natürlichen Bewegung entspricht, ist hervorragend günstig für die Wirkungsweise der Anlage, insbesondere wenn diese mit kleiner Last betrieben wird. Der empfohlene Spannbeton-Behälter bietet im übrigen eine einfache Form und erfordert vor allem zu seiner Ausführung nur kleinen Durchmesser. Diese letztgenannte Eigenschaft ist besonders wichtig bei Hochleistungs-Kernreaktoren, die mit hohen Drücken des Wärme-

209850/0630

trägergases arbeiten. Insgesamt mindert diese Anordnung die Anlagekosten, insbesondere erfordert sie nur eine kleinere Betonmenge.. Ferner hat das Außengebäude, welches den Behälter und das Reaktor-Zubehör umschließt, geringere Abmessungen. Die Menge umlaufenden Wärmeträgergases selbst ist auf das unbedingt Nötige verringert. Und endlich ergibt die geometrische Form des Behälters eine ausgezeichnete Standfestigkeit des Kernes, der sich auf einer beträchtlichen Betonmasse abstützt, was eine große Sicherheit gegen Schäden durch Erdbeben bietet.

Ein weiterer wichtiger Vorteil der vorgeschlagenen Anordnung ist die günstige Wärmeisolierung der kalten Behälterteile gegen die heiße Kernzone. Das heiße Gas ist stets auf einen verhältnismäßig kleinen Raum beschränkt, während das kalte Gas soweit emporsteigt, daß es die Wände des Hauptraumes und der Sekundärräume, d. h. praktisch alle Wände des Behälters berührt. Daraus ergibt sich eine Vereinfachung und Verringerung der Wärmeisolation der kalten Bauteile, die nur gegen gasjmäßiger Temperatur (300⁰C) anstatt gegen Gas hoher Temperatur (900⁰C) zu schützen sind.

Der vorgeschlagene Kernreaktor-Aufbau ergibt ferner eine gute Ausbaubarkeit der Wärmetauscher und der Gebläse oder Verdichter, da jeder Sekundärraum eine eigene Abschließung aufweist, was die Gefahr von Leckverlusten an Wärmeträgergas verringert. Weiterhin sind auch die Wasserzufuhrleitungen zu den Dampferzeugern in der kalten Zone angeordnet, und es ist im allgemeinen überflüssig, besondere! Sicherheit s-Kühlkreisläufe vorzusehen; diese Sicherheitseinrichtungen sind nur in den herkömmlichen Anlagen nötig, insbesondere ,wenn der Reaktor mit kleiner Leistung betrieben wird.

209850/0630

Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß der ganze obere Teil des Behälters verfügbar wird, insbesondere für das Anbringen gewisser Zubehörgegenstände oder für die Anordnung von Schächten für die Unterbringung benutzter Materialien. Endlich bringt die Abstützung des Behälters auf Stützflächen an einer Ringschulter des Behälters selbst weitere Vorteile, insbesondere eine bessere Standfestigkeit des Ganzen, insbesondere gegen Erschütterungen durch Erdbeben. Das Vorhandensein dieser Schulter verringert die Abmessungen des Behälter-Unterteils und das entsprechende Betonvolumenj ferner läßt sie mehr Spielraum für die Gestaltung des unter dem Behälter vorgesehenen Raumes, für den Entwurf der Tragkonstruktion, mit der der Behälter auf den Erdboden abgestützt wird, und für das Anbringen der Spanndrähte, da diese in Längsrichtung weniger lang sind.

20985Q/QS3d

Claims (8)

1. Patentansprüche

   Aufbau eines gasgekühlten Kernreaktors mit Druckbehälter senkrechter Achsrichtung aus Spannbeton, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) in seinem oberen Teil einen Hauptraum (3), der den Reaktorkern (4) enthält, und in seinem unteren Teil (21) unterhalb der Höhenlage des Kernes (4) senkrechte Räume (12) aufweist, die an ihrem oberen Ende mit dem Hauptraum (3) verbunden sind und die geometrisch gleichmäßig rings um die Achse des Behälters (1) verteilt sind und an ihrem unteren Ende an der Unterseite (22) des Behälters (l) ausmünden.'
2. 2. Aufbau nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) von Stützen (14a) getragen ist, die einen Raum

   (14) umgrenzen, dessen Höhe so berechnet ist, daß er den Ausbau der in den senkrechten Räumen (12) befindlichen Anlageteile ermöglicht.
3. 3. Aufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrechten Räume (12) mit mindestens Je einem Dampferzeuger (7) und mindestens je einem Gebläse (8) ausgestattet sind und einen den Dampferzeuger (7) umgebenden, inneren, absteigenden heißen Gasstrom und einen den Gaserzeuger (7) umgebenden äußeren, aufsteigenden,¹ kalten Gasstrom umschließen.
4. 4. Aufbau nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die senkrechten Räume (12) sämtlich mit Dampferzeuger und Gebläse ausgestattet sind.

   209850/0630

   -U-
5. 5. Aufbau nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß nur einige der senkrechten Räume (12) mit Dampferzeuger und Gebläse ausgestattet sind.
6. 6. Aufbau nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse (8) axial auf dem Boden des senkrechten Raumes (12) montiert ist.
7. 7. Aufbau nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (l) in einer Höhenlage zwischen seiner unteren Stirnfläche (22) und der Decke des Raumes (3), der den Kern (4) enthält, eine Ringschulter (23) aufweist, die als Stützfläche für Tragkonstruktionen (24) dient, welche den Behälter tragen.
8. 8. Aufbau nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringschulter (23) durch eine Verringerung des Durchmessers des Behälters (1) im unteren Teil (21) des Behälters hergestellt ist.

   209850/0630