DE2404843A1

DE2404843A1 - Kernkraftwerk mit geschlossenem gaskuehlkreislauf

Info

Publication number: DE2404843A1
Application number: DE2404843A
Authority: DE
Inventors: Dirk Dipl Ing Haferkamp; Alija Dipl Ing Hodzic; Ulrich Winter
Original assignee: Hochtemperatur-Reaktorbau 5000 Koeln GmbH; Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Current assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Priority date: 1974-02-01
Filing date: 1974-02-01
Publication date: 1975-08-14
Also published as: CH577228A5; FR2273348A1; JPS587199B2; JPS50108494A; DE2404843C2; US3998057A; GB1475833A; FR2273348B1

Description

o.i m, den 25 . 1 , 1 7316

2A0484.3

HOCPiTEMPER ATUR-REAKTOTJBAU GmbH

5 K ö 1 η 1 Zeppelinstraße 15

Kernkraftwerk mit geschlossenem G-askühlkreislauf

>Die Erfindung betrifft ein Kernkraftwerk mit geschlossenem Gaskühlkreislauf, bei dem ein Hochtemperaturreaktor, ein Gasturbosatz, wärmetauschende Apparate, bestehend aus Rekuperatoren, Vor- und gegebenenfalls Zwischenkühler^, sowie die das Gas führende Leitungren zwischen den einzelnen Komponenten in einem Spannbetondruckbehälter (Einbehälterbauweise) untergebracht sind.

Derartige Anlagen bieten offensichtliche Vorteile gegenüber Kernenergieaniagen eines anderen bekannten Typs, bei dem die Energie in einem Sekundärkreislauf abgegeben wird, da sie mit den Vorteilen der Gasturbinen die Einfachheit Tind gute Leistung von EinVreisanlagen verbinden. Durch die Anordnung von Kernreaktor und Gasturbosatz samt nen zugehörigen Kreislauf i-rompo-

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nenten in einem gemeinsamen Druckbehälter (integrierte Bauweise) werden besondere Verbindungselemente zwischen den einzelnen Aktivgas führenden Anlagetei len vermieden, was sich gerade beim Bau und Betrieb von Hochtenperaturreaktoren sehr günstig auswirkt. Die integrierte Bauweise wird daher bei einer f^an^en Reihe spezieller Kernenergieanlagen bevorzugt.

So zeigt beispielsweise die deutsche Aiisle^eschrift 1 1^6 903 eine Kraftmaschinenanlage der eingangs beschriebenen Art, die für Fahrzeuge verwendet werden soll und daher einen sehr kompakten Avfban aufweist. Die Turbine und der Verdichter sind hler an zwei einander gegenüberliegenden Stirnflächen des Reaktorkerns angeordnet, wobei die durch den Reaktor!:ern führende gemeinsame Welle als Hohlwelle ausgebildet ist und die Zwischenkühler in dem Rin^raum zwischen dem Reaktorkern und der Druckbehälterwand untergebracht sind. Bei dieser gedrängten Bauweise wird davon ausgegangen, daß die zu verwendende Turbine keine Wartung benötigt, und es wird daher auf ö.ie Ausbaubarkeit der Turbine und der anderen Kreislaufkomponenten verdichtet.

?/inen ähnlichen A'^bau zei. gt der in der Of fen! e ^u -»gss e^r i ft 2 005 208 offenbarte Kernreaktor, nur ist hier noch innerhalb des Druckbehälters ein an seinen Stirnseiten offener Dnicltnantel vorfcesehen, der von der Druckbehälter-Innenwand derart"- beabstandet ist, daß in dem so gebildeten Raum die Wärmetauscher untergebracht werden können.

Tn der deutschen Offenlegungsschrift *2 028 736 wird ebenfalls ein Kernkraftwerk mit- geschlossenen Gaskühlkrei slauf beschrieben. Hier handelt es sich um ein Kraftwerk in Zweibehälterbauweise, bei dem die Gasturbine und die in Gas^reislauf angeordneter. Maschinen und Apparate in einen vom Betondruckbehälter abgetrennten, aus vorgespannter? Beton gebildeten Maschinenblock

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untergebracht sind, um einen einfacheren Anfban. der Beschi clcunfs- und Regeleinrichtung zu erreichen.

Einen ähnlichen Aufbau zeigt der in der deutschen Auslegeschri.ft 1 6"I^ 610 offenbarte BetondruckbehäJter, der zwei geschlossene druckdichte Räume aufweist, von denen der eine den Reaktor aufnimmt und dor andere als Maschi.nenkanmer dient. Das Arbeitsmedium wird in Leitungen, die die Trennwand zwischen den beiden druckdichten Räumen durchdringen, vom Reaktor zur Turbine und vom Verdichter wieder zurück in einen Ringraun unterhalb des Reaktorkerns geführt. Diese sogenannte Iglu-Bauweise ist technisch schwer zu realisieren, und die Kernkraftanlage ist auf Grund des Ariordnun^sprinzips sehr unwirtschaftlich.

In der Offenlegungsschrift 2 062 93^ ist ebenfalls ein gasgekühlter Kernreaktor in integrierter Bauweise dargestellt, bei dem die Gasturbine in einem Hohlraum in der Wandung des den Reaktorkern umgebenden Druckbehälters untergebracht ist. Dtirch eine Bypaßvorrichtung kann ein Teil des dem Reaktorkern svugeführten kalten Kühlgases an dem Realci.oricern vorbeigeführt und direkt mit dem aus dein Reaktorkern austretenden heißen Kühlgas gemischt werden.

Eine weitere Kernreaktoranlage der eingangs geschilderten Art ist schließ-!.! eh--noch in der deutschen Qffenlegungsschrift 1 76h 2h9 beschrieben, bei der der Kernreaktor und alle Kreislaufkompone-nten in dicht, beabstandeten parallelen vertikalen Bohrungen innerhalb des Betondrnckbehälters von außen zugänglich angeordnet und Durchlaßwege für das Kühlmedium sowohl in der Wand des Druckbehälters als auch zwischen den ein/einen Bohrungen vorgesehen·sind. Hierbei hat das Kühlmedium sehr große Strörnnngswcre zurückzulegen, und die gesamte Anlage benötigt 'einen relativ großen Druckbehälter.

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Von diesem Stand der Technik geht die vorliegende Erfindung aus, wobei sie sich die Aufgabe gestellt hat, durch eine besondere Anordnung aller Komponenten die Nachteile der bekannten Kernkraftwerke zu überwinden und einen kompakten Aufbau eines solchen Kernkraftwerks sowie die Zugänglichkoit aller Komponenten zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Gasturbosatz in einem horizontalen Stollen unterhalb des in einer Kaverne zentral angeordneten Reaktors installiert ist, daß zur Aufnahme der Rekuperatoren und Kühler eine Anzahl von vertikalen Schächten (Pods) vorgesehen ist, die auf einem Kreis symmetrisch um die Reaktor-Eaverne angeordnet sind, daß die den Rekuperatoren nachgeschalteten Vorkühler jeweils senkrecht über oder unter diesen untergebracht sind, daß die gasführenden Leitungen zwischen den einzelnen Komponenten geradlinig und im wesentlichen vertikal oder horizontal geführt sind, wobei die vertikalen Gasleitungen als Pods ausgebildet sind, daß für die Hochdruckgasführung mehrere Pods mit horizontalen Anschlüssen vorgesehen sind und daß für die Niederdruckgasführung unterhalb des Turbostollens ein aus einfachen Gasführungen bestehendes Leitungssystem horizontal angeordnet ist.

Die bei dem erfindungsgemäßen Kernkraftwerk verwirklichten Prinzipien lassen sich folgendermaßen kurz zusammenfassen:

- ein weitgehend symmetrischer Aufbau des Spannbetonbehälters;

- die Ausbildung der vertikalen Gasführungen als Pods;

- direkte und geradlinige Gasführungen zwischen den einzelnen Komponenten des Hauptkreislaufs;

- die Anwendung koaxialer Gasführungen, wodurch zwischen den koaxialen Gas strömen im Normalise trieb nur kleine Druckdifferenzen auftreten;

- die Führung der warmen Gasströme koaxial in einem isolierten, frei im Spannbetonbehälter verlegten Rohrleitungssystem mit Druckmänteln, die außen von kaltem Kreislaufgas umströmt werden;

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- weitgehende Zugänglichkeit der im Spannbetonbehälter integrierten Einbauten wie Gasführungen, wärmetauschende Apparaten, Armaturen, Wärmeschutzmäntel u.a. für Inspektion, Wartung, Reparatur und Ausbau von außen bzw. nach der Demontage von Behälterabschlüssen.

Alle Pods, Gasführungen und Komponenten des Hauptkreislaufs sind nach Entfernen des Spannbetonbehälter-Deckels geometrisch zugänglich, so daß für Inspektionen, Wartung und Reparaturzwecke die Remote-Technik angewandt werden kann. Diese gute Zugänglichlceit ergibt sich, bedingt durch die koaxialen Gasführungen, aus den relativ großen Betonkanälen, aus den direkten und geradlinigen Gasführungen und der Ausbildung der vertikalen Gasführungen als Pods. Durch die Anordnung zweier Gasführungssysteme in nur einem Betonkanal ist eine kompakte Bauweise des Hauptkreislaufes möglich, so daß die Abmessungen des Spannbetonbehälters relativ klein gehalten werden können.

Die Anordnung der einzelnen Komponenten ist so gewählt, daß sie bei jeder gewünschten Leistungssteigerung beibehalten werden kann; d.h. die Extrapolation auf größere oder kleinere Leistungseinheiten ist ohne Schwierigkeiten möglich, was bei der Entwicklung von neuen Kernreaktoren von großer Bedeutung ist.

Der Gasturbosatz ist vorzugsweise in einem horizontalen Stollen angeordnet, der in einem solchen Abstand von dem Kernreaktor verläuft, daß eine ausreichende Abschirmung des Turbosatzes gegen die Neutronenstrahlung gewährleistet ist. Für den Ein- und Ausbau des Turbosatzes ist eine sogenannte Einschubbauweise vorgesehen.

Der Turbosatz ist einwellig ausgeführt, da eine einwellige Anlage gegenüber einer Mehrwellenanlage entscheidende Vorteile aufweist: ihr Betriebs- und Regelverhalten ist gut überschaubar und erprobt, es ist nur eine Wellendichtung durch den Spannbetonbehälter erforderlich, und überdies sind die Kosten einer Einwellenanlage niedriger. Der Turbosatz ist starr mit dem Generator gekoppelt.

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Das aus dem Reaktor kommende heiße Gas wird zunächst durch vier radiale Anschlußstutzen geleitet und strömt dann über vertikale Heiß-asleituno-en, die als Pods ausgebildet sind, und vier horizontale Ansch lußlei tunken den symmetrisch angeordneten Turbineneintrittsstutzen zu. Die vier radialen Reaktoranschlußstutzen reichen mit den Graphiteinbanten bis zu den als Pods ausgebildeten vertikalen Gasleitungen.

Das Turbinenabgas (ca. 500 C) ströiit zunächst in einem vertikalen Stutzen nach unten, wo es in das horizontale Leitungssystem für das Nie<-i erdrück gas eintritt. Über Verteiler und koaxiale Stichlei tunken wird es auf die die Rekuperatoren und Vorkühler enthaltenden Pods aufgeteilt und gelangt in die Rekuperatoren, die es mantelseiti^ durchströmt. Anschließend wird das Gas ebenfalls mantelseitig· durch die Vorkühler geleitet und. strömt zurück zu dem horizontalen Leitungssystem. Dabei wird es jetzt bei der Rückführung - durch die äußeren Gasführungen der koaxialen Stichlei tunken geleitet, während es bei der Zuführung· zu den Rekuperatoren durch die Inneren Gasführungen der koaxialen Stichleitungen gelenkt wird. Das koaxiale Stichleitungssystem ist also so aufgebaut, daß die Turbinenabgasleitungen mit ca. 500 C überall von Kaltgas umströmt werden und somit nur gerin, Temperaturbelastungen für die Gasleitungen auftreten.

Von den Sammlern des horizontalen Leitungssystems gelangt das kalte Gas (30 C) über mehrere einfache horizontale Gasführungen in einen vertikalen zylindrischen Stollen, von dem aus es in den Niedex'druckteil des Kompressors eintritt. Hier wird es auf 36 bar komprimiert.

Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind sechs Rekuperatoren vorgesehen, die paarweise durch je eine koaxiale Stichleitung an einen Sammler und Verteiler angeschlossen sirid.

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Die zugehörigen VOr¹CUhIer sind dabei jeweils senkrecht unter dem betreffenden Rekuperator angeordnet.

Die Führung des komprimierten Gases zurück zu den Rekuperatoren wird durch sechs Gasleitungen bewerkstelligt, wobei ein wesentlicher Teil von vier dieser Leitungen koaxial zu den vom Reaktor zur Turbine laufenden vertikalen Gasleitungen geführt wird. Das relativ kalte Hoch druckgas (i25 C-) umgibt also dabei die vier Heißgasleitungen zwischen Reaktor und Turbine.

XJm den Wirkungsgrad des Kernkraftwerks zu erhöhen, ist in aen Hati.ptkr eis lauf ein Zwischenkühlersystem vorfesehen, das zweckmäßigerweise ebenfalls in senkrecht angeordneten Schächten untergebracht ist, die auf dem gleichen Kreis um die Reaktorkaverne wie die Pods zur Aufnahme'der Rekuperatoren und Vorkühler und symmetrisch zu diesen angeordnet sind. Die Zwischenkühler sind in zwei Gruppen zusammengefaßt, wobei jede Gruppe zwei in einem Pod übereinander installierte Zwischenkühler umfaßt. ' ' - '

Von dem Ni ed erdruckt eil des Kompressors fühi-en zwei koaxiale Leitungen zu den beiden Pods mit den zwei überei nanderliegen^en Zwischenkühlern. In den äußeren Leitungen stz^ömt das Gas zu den Pods hin, wird dort in einen nach oben und unten gerichteten Teilstrom aufgetei 11* und nach dem Durchströmen der Zwischenkühler in den inneren Leitungen der beiden koaxialen Gasleitungen zti dem Hochdruckteil des Kompressors zurückgeführt.

Vorteilhafterweise sind die zur Aufnahme der Komponenten vorgesehenen Hohlräume im Spannbetonbehälter (Reaktorkaverne, horizontaler Turbinenstollen, vertikale Pods für die wärmetauschenden Apparate, Gasführungeu und Regelsysteme) von gasdichten Stahllinern gebildet. Auftretende Druckbelastungen werden vom Beton aufgenommen, und um unzulässig hohe Temperaturen im Beton

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zu vermeiden, werden die Liner mit ¥asser gekühlt und sind außerdem noch mit einem Temperaturschutz, z.B. einem Wärmesdhutzmantel, versehen.

Vie bereits angedeutet, dienen die Zwischenkühler der Verbesserung des Wirkungsgrades der Anlage. Es sind jedoch auch Kernkraftanlagen denkbar, bei denen durch Weglassen der Zwischenkühler bewußt eine Verschlechterung des Wirkungsgrades hingenommen wird, um eine Reihe von anderen Vorteilen dafür einzutauschen. Die wesentlichsten Vorteile sind im folgenden kurz zusammengefaßt; eine Verkleinerung des Spannbetonbehälters, der Wegfall von teueren Anlageteilen (außer den Zwischenkühlern selbst noch Stahlliner, Gasführungen und ausbautechnische Einrichtungen), eine Verkleinerung des Kühlsystems und die Verringerung der Kreislaufdruckverluste. Bei einer solchen Kernkraftanlage wird der aus detn Kompressor austretende Gasstrom unmittelbar den Rekuperatoren zugeleitet.

Vorteilhaft ist innerhalb des Spannbetonbehälters auch ein Nachwärmeabfuhrsystem vorgesehen, das in an sich bekannter _#Weise aus einem Gebläse mit oder ohne Rekuperator und einem Kühler besteht. Dieses vom Hauptkreislauf unabhängige Notkühlsystem sichert bei der hier vorgesehenen Einwellen-Gasturbinenanlage die Abfuhr der Reaktorwärme bei Ausfall des Turbosatzes, in Stillstandszeiten und bei Störfällen. Das Nachwärmeabfuhrsystem von 4 χ 50$ ist in vier symmetrisch um die Reaktorkaverne, angeordneten vertikalen Schächten (Pods) untergebracht.' Es ist so ausgelegt, daß im Störfall ein möglicher Bypass im Hauptkreislauf zulässig ist und somit keine Sic'herheits-Absperrarmaturen erforderlich sind.

Zweckmäßigerweise sind auch sämtliche zur Absperrung des Kernreaktors erforderlichen Hauptkreislaufarmatüren inner-halb des Spannbetonbehälters untergebracht, und zwar ebenfalls in vertikalen

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Schächten, wodurch die Sicherheit und Kompaktheit der Anlage noch gesteigert wird. Dabei ist die Anordnung der Armaturen so gewählt, daß sie von außen zugänglich sind.

Vorteilhafterweise sind alle Aktivgas führenden Anlagenteile in einem Sicherheitsbehälter integriert, der während des Betriebes des Kernkraftwerks begehbar ist und die erforderlicher) Montageöffnungen für den Ausbau der wartimes- rnd reparaturbedürftigen Anlagentoile enthält. Der Spannbetonbehälter ist im Zentrum des Sicherbeitsbehälters angeordnet, während in dessen oberem Teil ein Rxmdlaufkran für ö.en Komponenteriausbau vorgesehen ist.

Bei einer Leistungsgröße des Kernkraftwerks von 1000 MW ist der Sicherheitsbehälter zur Aufnahme des starr mit dem Gasturbosatz gekoppelten Generators zweckmäßig mit einer zylindrischen Ausnehmung versehen, die mit einem einfachen Deckel druckfest und gasdicht verschließbar ist. Der Generator läßt sich mitsamt seinem Fundament in die Ausnehmung einschieben und - falls notwendig - wieder demontieren.

Xn .der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines Kernkraftwerks gemäß der Erfindung schematisch dargestellt, und zwar zeigen

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt nach der Linie T-I der Fig. 2,

Fig. 2 einen horizontalen Schnitt nach der Linie TI- TI der Fig. 3,

Fig. 3 einen vertikalen Schnitt nach der Linie

III - TTT der Fig. k und

Fig. k einen horizontalen Schnitt nach der Linie

IV - IV der Fig. 3.

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Die Figuren 1 und 2 lassen einen druckfesten Sicherheitsbehälter 1 aus Stahlbeton erkennen, der zylindrisch ausgeführt ist und als oberen Abschluß eine KMgelkalotte 2 aufweist. Zentral im Inneren des Sicherheitsbehälters 1 ist ein ebenfalls zylindrischer Spannbetonbehälter 3 angeordnet, der einen Hochtemperaturrea'-'tnr h sr>wie die übrigen weiter unten beschriebenen Hauptlcrei slaufkonmonenten (Turbogruppe, wärmetauschende Apparate, Gasführenden) umfaßt. Innerhalb des Sicherheitsbehälters 1 sind atich alle Aktivgas führenden Hilfseinrichtungen sowie die für den Ausbau der Hauptkreislaufkomponenten erforderlichen Vorrichtungen untergebracht. Von diesen ist in der Zeichnung nur ein als Hsupthebezeug dienender Rundlaufkran 5 gey.ejigt, der in einer Ebene unterhalb des Beginns der Kugelkalotte 3 bewegbar angeordnet ist. Sein Arbeitsradius ist so groß, daß mit ihm alle im Sicherheitsbehälter 1 befindlichen Komponenten ausgebaut werden können.

Der H chtemperaturreaktor h, der in einer Kaverne 6 eingebaut ist, ist als graphitmoderierter, heliumgekühlter Ktigelhaufenreaktor ausgeführt, was durch einen i;ri Boden des Reaktorkerns 'vorgesehenen Kegel 7 und ein sich an diesen anschließendes Kugelabrugsrohr R sowie durch einen hängenden Deckenreflektor Q angedeutet ist. Unterhalb des Bodens des Reaktorkerns befindet sich ein HeißgassaRimelraum 10 zur Aufnahme des aus der Kugelschüttung austretenden erhitzten Gases. Über sechs Eintrittsund vier Austrittsstutzen (siehe welter imten) ist der Kernreaktor 4 mit dem übrigen Hauptkreislauf verbunden.

Senkrecht unter dem Hochtemperaturreaktor k und in hinreichendem Abstand von. diesem, um eine sichere Abschirmung 7λ\ gewährleisten, ist ein horizontaler Stollen 11 in den Spannbetonbehälter 3 bearbeitet, in dem eine einwelÜTe Gasturbine 12 sowie ein Hochdruck- und ein N"" ederdruck^-oripressor 13» 1 ^- untergebracht sind, die mit der Gasturbine 12 auf einer gemeinsamen

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Welle 15 sitzen. Turbine und Kompressoren werden bei der Montage als Einheit auf einer Schiene in den horizontalen Stollen 11 eingefahren (sogenannte Einschubbauweise). Ein Generator 16, der in einer zylindrischen Ausnehmung 17 des Sicherheitsbehälters 1 ausbaubar angeordnet ist, ist starr mit der Gasturbine 12 gekoppelt. Die zylindrische Ausnehmung 17 ist mit einem Abschlußdeckel 63 gasdicht und druckfest verschlossen. Vom Heißgas sammelraum 10 führen vier radiale Anschlußstutzen 18 zu je einer als vertikaler Pod ausgebildeten Heißgasleitung 19» die je über eine horizontale Gasleitung 20 mit den vier symmetrisch angeordneten Eintrittsstutzen 21 der Turbine 12 verbunden sind« Die vier radialen Reaktoranschlußstutzen 18, über die das auf 850 C erhitzte Helium zur Turbine 12 geleitet wird, reichen mit den Graphiteinbauten 22 des Reaktors bis zu den vertikalen Heißgasleitungen 19· Dies erleichtert den Ein- und Ausbau der Heißgasleitungen 19» die aus vier Teilen zusammengesetzt sind.

Auf einem Kreis um die Reaktorkaverne 6 sind in symmetrischer Anordnung zueinander acht senkrechte Schächte oder Pods 23»24 30 vorgesehen, die mit hinreichendem Abstand zum Rand des Spannbetonbehälters 3 diesen fast auf seiner gesamten Länge durchqueren. Diese großen Durchbrüche sind mit berst-•sicheren Deckeln, die redundant befestigt sind, abgeschlossen. Die berstsicheren Deckel sind in der Fig. 3 an der Decke und am B.oden des Spannbetonbehälters 3 zu erkennen. In sechs dieser Schächte - und zwar in den Pods 23,Zk...28 - ist in Höhe des Kernreaktors k je ein Rekuperator 31 untergebracht, und jedem Rekuperator ist ein Vorkühler 32 nachgeschaltet, der senkrecht unter dem zugehörigen Rekuperator angeordnet ist. Die beiden noch übrigen Pods 29 und sind zur Aufnahme von vier Zwischenküjilern 33 bestimmt, die

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paarweise untereinander in den beiden Pods installiert sind.

Die sechs Rekuperatoren 31 sind als Gegenströmer in Elementbauweise mit Dreiecksteilung des Rohrbündels ausgeführt, wodurch der Ausbau einzelner defekter Zellen möglich ist. Die Vo!'kühler 32 sowie auch die Zwischenkühler 33 sind in Helix-

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Bauform ausgeführt, die das Vornehmen von Druckprüfungen und Blindsetzen einzelner Rohre oder Bereiche von außerhalb des Spannbetonbehälters 3 her gestattet. Durch Anwendung dieser bekannten und erprobten Bauelemente ergibt sich somit für die wärmetauschenden Apparate eine hohe Zuverlässigkeit.

Das Verteiler- und Sammelsystem des aus der Turbine austretenden Niederdruckgases ist horizontal unterhalb des Turbostollens angeordnet. Das Turbinenabgas von ca. 500 C sti^ömt zunächst in einem vertikalen Stutzen 34 nach unten zu einem Verteiler 35 sowie durch zwei koaxiale Stichleitungen 36 zu zwei weiteren Verteilern 37· An jeden Verteiler sind zwei koaxiale Stichleitungen 38 angeschlossen, die das Gas auf die sechs Pods 23,2k ,..28 aufteilen. Dabei strömt das Gas durch die inneren Gasführungen der koaxialen Stichleitungen 36, 38. In den Pods gelangt es in durch die Vorkühler 32 geführten Zentralrohren von unten in die Rekuperatoren 31» die es mantelseitig durchströmt. Dabei kühlt sich das Gas auf ca. 16Ο C ab. Nach einer Umlenkung um I80 in einem Sammelraum 4θ oberhalb der Rekuperatoren 31 wird das Gas in einem Ringspalt 4i zwischen Reku-" perator und Podwandung zu den Vorkühlern 32 geleitet, die es ebenfalls mantelseitig durchströmt. Das auf ca. 30 C abgekühlte Gas tritt nunmehr in die äußeren Gasführungen der koaxialen Stichleitungen 38 ein und gelangt in drei Sammler 42, 43, die koaxial zu den Verteilern 351 37 angeordnet sind, und zwar derart, daß die äußeren Gasführungen als Sammler und die inneren als Verteiler fungieren.

Das gesamte Leitungssystem unterhalb des Turbostollens 11 ist also so aufgebaut, daß die Turbinenabgasleitungen mit ca. 5OO C überall von Kaltgas umströmt werden und daher keine Temperaturbelastungen für den Beton auftreten. Die koaxialen Gasführungen sind zudem - wie auch alle anderen Hohlräume im Spannbetonbehälter - von gasdichten Stahllinern umgeben, die mit einem inneren.

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Wärmeschutz versehen sind und mit Wasser gekühlt werden. Auch für die Liner treten nur geringe Temperaturbelastungen auf, da heiße Gasströme jeweils von kälteren Gasströmen umgeben sind. Die Druckdifferenzen zwischen den koaxialen Gasströmen betragen im Normalbetrieb je nach Gasführung 0,7 - 4 bar. Die innerhalb der Liner freiverlegten Rohrleitungen werden somit nur relativ gering auf Druck beansprucht. Der Druck der äußeren Gasströme wird über die Liner vom Beton aufgenommen.

Von den Sammlern 42,43 gelangt das Kaltgas durch zwei einfache horizontale Gasführungen 44 in einen vertikalen zylindrischen Stollen 45, von dem aus es in den Niederdruckkompressor 14 eintritt und dort auf 36 bar komprimiert wird. Vom Niederdruckkompressor 14 führen zwei koaxiale Leitungen 46 zu den beiden Pods 29, SO, in denen die vier Zwischenkühler 33 installiert sind. Das Helium strömt mit ca. 125 C in den äußeren Leitungen zu den beiden Pods, wo es in einen nach oben und einen nach unten gerichteten Teilstrom aufgespalten wird. Beide Teilsti*öme durchfließen einen zwischen Pod und Zwischenkühler vorhandenen Ringspalt 47, durchströmen mantelseitig die vier Zwischen-"kühler 33 und treten jeweils im Bereich 48 zwischen den beiden übereinander angeordneten Zwischenkühlern in die inneren Rohrleitungen der koaxialen Leitungen 46 ein. Durch diese Leitungen gelangt das auf30 C abgekühlte Gas zu dem Hochdruckkompressor 13■

Das hier auf 64 bar komprimierte Gas wird vom Hochdruckkompressor 13 in eine Kaverne 49 geleitet, die das Turbinengehäuse und die Turbineneintrittsstutzen 21 umgibt. In zwei ein-

fachen Gasführungen 50, die im wesentlichen vertikal verlaufen, und vier Gasführungen 51» die teilweise koaxial zu den als'Pods ausgebildeten Heißgasleitungen 19 geführt sind, strömt das Hochdruckgas zu den Verteilerköpfen 52 der Rekuperatoren 31· Die vier Heißgasleitungen 19 zwischen dem Reaktor 4 und der Turbine 12 sind also vom relativ kalten Hochdruckgas (125 C) um-

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geben, so daß Liner und Beton kaum durch hohe Temperaturen be- -. lastet werden.

Von den Verteilerköpfen 52 strömt das Helium durch die Rohrbündel der Rekuperatoren 4i, erwärmt sich durch das mantelseitig entgegenströmende Turbinenabgas auf ca. 450 C und wird zu den Sammelköpfen 53 der Rekuperatoren 31 zurückgeführt, die oberhalb der Verteilerköpfe 52 vorgesehen sind. Über sechs Leitungen 54, die teilweise in den Hochdruckkaltgasführungen 50,51 verlegt sind, kommt das vorgewärmte Gas schließlich wieder zurück in einen Kaltgassammelraum 55 des Reaktors 4. Bevor das Helium wieder in den Reaktorkern eintritt, strömt es zwischen dem thermischen Schild und dem Reflektoraufbau entlang, wobei es diese Bauteile kühlt (nicht dargestellt). Durch den Deckenreflektor 9 gelangt das Gas so dann in den Raum $6 oberhalb des Kugelhaufens und dringt von hier in den Kugelhaufen ein.

In vier vertikalen Schächten 57» die symmetrisch zur Roaktorkaverne 6 und auf dem gleichen Kreis wie die Pods 23, 24 ... ..30 angeordnet sind, ist in gleicher Höhe mit den Rekupe- -ratoren 31 ein ^an sich bekanntes Nachwärmeabfuhr-System 58 von 4 χ 50$ untergebracht, das sich aus Gebläse, Rekuperator und Kühler zusammensetzt. Da das Nachwärmeabfuhr-System nicht Gegenstand der Erfindung ist, sind diese Komponenten nicht im einzelnen dargestellt. Das System 58 entnimmt heißes Gas aus einer Heißgasleitung 59» kühlt es in dem Rekuperator auf ca. 450 C und anschließend in dem Kühler auf ca. 50 C ab und bewirkt durch das Gebläse eine Druckerhöhung bei einem Temperaturanstieg auf ca. 70 C. Durch ein Zentralrohr strömt das verdichtete Gas wieder dem Rekuperator zu, in dem es auf 400°C aufgeheizt und durch eine Rohrleitung 60 dem Kernreaktor 4 kaltgasseitig wieder zugeführt wird.

Um den Kernreaktor 4 von dem übrigen Hauptkreislauf abtrennen

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zu können, sind Absperrarmatüren 61 vorgesehen, die in die ·!? Realctoreintrittsleitungen 54 und die Heißgasleitungen 19 eingebaut sind. Damit Reparaturen und ¥artungsarbeiten an ihnen vorgenommen werden können, sind die Absperrarmaturen 6i - soweit sie nicht in den von oben zugänglichen Pods für die Kaltgasleitungen 50»51 untergebracht sind - durch vertikale Pods zugänglich.

Im folgenden soll noch einmal kurz der Haupt- oder Turbinenkreislauf zusammenhängend erläuter-t werden.

Der Arbeitsprozeß des Hauptkreislaufes verläuft zwischen einem obersten, Prozeßdruck von 64,3 bar und einem untersten von 19,9 bar; die Prozeßtemperatur bewegt sich zwischen einer oberen Grenze von 850 C.und einer unteren Grenze von 30 C. Auf der Heißgasseite strömt das Gas mit 85O C und 60 bar direkt aus dem Heißgassammelraum 10 über die vier Heißgasleitungen 19 den vier Eintrittss.tutzen 21 der Gasturbine 12 zu.

In der Turbine 12 wird das Arbeitsgas auf 20,7 bar entspannt "und tritt mit einer Temperatur von ca. 5OO C durch die koaxialen Stichleitungen 38 und die Zentralrohre 39 in die Rekuperatoren 31 ein, die es mantelseitig durchströmt. Dabei wird es mit dem kalten, auf den Hochdruckseite der Rekuperatoren strömenden Gas auf ca. 160 C heruntergekühlt und den Vorkühlern 32 zugeführt. Hier wird das Gas auf die unterste Prozeßtemperatur von 30 C rückgekühlt und durch die Sammler 42,43 gesammelt, bevor es über die Gasführungen 44 und den Stollen 45 dem Niederdruckkompressor i4 zugeleitet wird.

Im Niederdruckkompressor 14 wird das Arbeitsgas auf einen Prozeßdruck von 64,3 bar angehoben und mit einer Temperatur von 125,6 C über die koaxialen Leitungen 46 den Zwischenkühlern mantelseitig zugeführt. Dort wird das Gas wieder auf 30 C herunter-

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gekühlt, durchströmt die inneren Rohrleitungen der koaxialen Leitungen h6 und tritt mit einem Prozeßdruck von 3558 bar in den Hochdruclckompressor 13 ein. Hier wird das Arbeitsgas auf den maximalen Prozeßdruck von 64,3 bar angehoben und über die Kaltgasleitungen .5Oj51 ^zu den Verteilerköpfen 52 geführt, die es mit einer Temperatur von 125)6 C auf die Rohrbündel der Rekuperatoren 31 verteilen. Mit der von dea? Niederdruckseite der Rekuperatoren zugeführten Wärme wird das Hochdruckgas anschlie*· ßend auf eine Temperatur von h55t2- C gebracht, wonach es durch die Leitungen $h unmittelbar dem Spaltgassammelraum 55 des Hochtemperaturreaktors k zugeleitet wird.

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Claims

Patentansprüche

ί 1.!Kernkraftwerk mit fceschlossenem Gaskühlkreislauf, bei dem ein Hochtemperaturreaktor, ein G-asttirbosatz, wärmetauschende Apparate, bestehend aus Rekuperatoren, Vorkühlern find g-egebenenfalls Zwischenkühlern, sowie die das Gas führenden Leitungen zwischen den einzelnen Komponenten in einem Spannbetonbehälter (Einbehälterbanweise) untergebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasturbosatz (12,13»14) in einer_v horizontalen Stollen (ii) unterhalb des in einer Kaverne ?«2ntral angeordneten Reaktors (4) installiert ist, daß zur Aufnahme der Rekuperatoren (31) und Kühler (32,33)

eine Anzahl von vertikalen Schächten (Pods) (23,24, 3θ)

vorgesehen ist, die auf einem Kreis symmetrisch um die Reaktorkaverne (6) angeordnet sind, daß die den Rekuperatoren (31) nach.^eschaJ.teten Vorkühler(32) jeweils senkrecht über oder"unter diesen untergebracht sind, daß die gasführenden Lei tunken ^wischen ^en einzelnen Komponenten f?eradlini<j und im wesentlichen vertikel oder horizontal geführt sind, wobei die vertikalen Gasleitungen (19»^O,. 51) als Pods ausgebildet sind, daß für die Hochdmck^asfühmn." mehrere Pods mit horizontalen Anschlüssen (i8, 20) vorgesehen sind und daß für die Niederdruckrrasführung- unterhalb des Turbostollens (11) ein aus koaxialfen Stichleitun^en (36,38)5 Sammlern (42,43) und Verteilern (35»37) sowie aus einfachen Gas führungen (44) bestehendes I.eistunp;ssystem horizontal angeordnet ist.

2. Kernkraftwerk nach Anspruch 1 , dadurch j^ejce nnze i ^.hnjsjt, daß

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der Gasturbosat?· (i2,13>1*0 ansbaubar angeordnet ist.

3· Kernkraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, dad^trch ^T daß der Gasturbosatz (i2, 13» T-t) einwellig· ausgeführt und starr mit dem Generator (16) gekoppelt ist.

h. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochtemperaturreaktor (h) in seinem unteren Bereich vier radiale AnSchlußstutzen (18) aufweist, die je in eine als Pod ausgebildete vertikale Gasleitung (19) mundenί und daß von den vertikalen Gasleitungen (l9) je eine horizontale Leitung (20) 7Λ\ den symmetrisch angeordneten Turbi neneintri ttsstutzen (21) führt.

5. Kernkraftwerk nach Anspruch K, dadurch gekenngeri ebnet, daß der Graphitaufbau (22) des Reaktors (k) bis zu den als Pods ausgebildeten vier vertikalen Gasleitungen (1?) fortgeführt d st.

6. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, daß der Turbinenai's^an,^ durch, einen vertikalen Stutzen (3*0 mit dem Leitungssystem für das Niederdruckgas verbunden ist tmd daß jeder Rekuperator (31 ) durch eine der koaxialer. Sti chle"! t"nfß" (3^Q^ an einen Sammler (h2 brw. ^3) und Vorteiler (35 bw. 37^ des Γ ei ttmgssyste'Tis angeschlossen ist, wobei die Zuführung des Niederdruckgases zu öen Rekuperatoren (31¹I un'¹ den linsen nach.°*eschlateten Vortühlern (32) in den inneren Gasleitungen der koaxialen Stichleitun~en (3^) erfolgt und für die Rückführung des Gases ?u dem Leicungssystem die äußeren Gasleitungen der koaxialen Stichleitungen (3R) vorgesehen sind.

7« Kernkraftwerk nach Anspruch 6, dadurch gekern ?-ei ebnet, daß die Sammler (^-2,43) des Leitungssystems über mehrere einfache

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horizontale Gasführungen (hk) und' einen vertikalen zylindrischen Stollen (45) mit dem Ni ederdrückteil (i4) des Kompressors verbunden sind .

8. Kernkraftwerk nach Anspruch 6, d_a^nr^Ji_^^kjemi_^e^hji_e_t, daß sechs Rekuperatoren (31) vorgesehen sind, die paarweise durch ,je eine koaxiale Sti ableitung (3B) an einen Sammler (42 bzw. 43) und Verteiler (35 bzw. 37) angeschlossen sind, und daß die Vorkühler(32) unterhalb des zugehörigen Rekuperators (31) angeordnet sind,

9. Kernkraftwerk nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzei chnet, daß für die Führung des korr.jri »pi erten Gases vom Hochd nickt ei 1 (13) des Kompressors zu den Rektip erator en (31) sechs im wesentlichen vertikale Gasleitungen (5O> 51) vorgesehen sind, von denen vier Leitungen (51) koaxial zu den vom Reaktor (4) zur Turbine (12) laufenden vertikalen Gasleitungen (19) geführt sind.

10. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß erforderliche Zwischenkühler (33) in gesonderten Pods (29» 30) ■installiert sind, die auf dem gleichen Kreis um die Reaktorkaverne (6) wie die Pods zur Aufnahme der Rekuperatoren (31) und Vorkühler (32) und symmetrisch zu diesen angeordnet sind.

11. Kernkraftwerk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß

je zwei Zwischenkühler (33) übereinander in zwei Pods (29» 30) untergebracht sind und daß für die Zuführung des Gases vom Niederdruckteil (i4) des Kompressors und seine Rückführung zum Hochdruckteil (13) des Kompressors zwei koaxiale Leitungen (46) vorgesehen sind, wobei das Gas bei der Zuführung in den äußeren Gasführungen und bei der Rückführung in den inneren Gasführungen strömt.

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12. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Aufnahme der Komponenten vorgesehenen Hohlräume im Spannbetonbehälter (3) von gasdichten Stahllinern umgeben sind, die mit Wasser gekühlt werden und mit einem Temperaturschutz versehen sind.

13· Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekermzei chnet, daß innerhalb des Spannbetonbehälters (3) ein .in an sich bekannter Weise aiis einem Gebläse mit oder ohne Rekuperator und einem Kühler bestehendes Nachväraeabfuhrsystera (58) inte^ri C3t angeordnet ist.

14. Kernkraftwerk nach Ansprtich 13» dadurch gekennzeichnet, daß das Nachwärmeabfuhrsystem (58) in vier symmetrisch um die Reaktorkaverne (6) angeordneten vertikalen Schächten (Pods) (57) untergebracht ist.-

15· Kernkraftwerk nach Anspruch-1, dadurch gekennzeichnet, daß alle zur Absperrung des Reaktors (4) erforderlichen Hauptkreislaufarmaturen (61) innerhalb des Spannbetonbebälters (3) in vertikalen Schächten (62) zugänglich angeordnet sind.

16. Kernkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Aktivgas führenden Anlageteile von einem Sicherheitsbehälter (1) umgeben sind, der den zentral angeordneten Spannbetonbehälter (3) sowie die erforderlichen Montageöffnungen für den Ausbau aller wartungs- und reparaturbedürftigen Komponenten enthält.

17· Kernkraftwerk nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Sicherheitsbehälter (1) während des Betriebes begehbar ist.

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IS. Kern'-rraftverk nach Anspruch 16,

der Sicherheitsbehälter (i) eine zylindrische Ausnehmung (17) zur Aufnahme des Generators (i6) aufweist, die durch einen Abschliißdecfcel (63) druckfest und gasdicht abgeschlossen ist.

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