DE2506293C2

DE2506293C2 - Hochtemperaturreaktor mit geschlossenem Gaskühlkreislauf

Info

Publication number: DE2506293C2
Application number: DE2506293A
Authority: DE
Inventors: Klaus 6800 Mannheim Hendrich; Alija Dipl.-Ing. 6800 Mannheim Hodzic; Muhamed 6700 Ludwigshafen Mahalbasic; Dieter 6710 Frankenthal Prasch
Original assignee: Hochtemperatur-Reaktorbau 5000 Koeln De GmbH; Hochtemperatur Reaktorbau 5000 Koeln GmbH
Current assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Priority date: 1975-02-14
Filing date: 1975-02-14
Publication date: 1983-01-27
Also published as: DE2506293A1

Description

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Die Erfindung betrifft einen Hochtemperaturreaktor mit geschlossenem Gaskühlkreislauf, der gemeinsam mit wärmetauschenden Apparaten und mindestens f>5 einem Gasturbosatz sowie den das Gas führenden Leitungen zwischen den einzelnen Komponenten in Ausnehmungen eines Spannbetondruckbehälters untergebracht ist, wobei der Reaktor in einer zylinderförmigen, mit einem Liner ausgekleideten Kaverne und die anderen Komponenten in teils horizontalen, teils vertikalen Stollen installiert sind. In seinem unteren Bereich weist der Hochtemperaturreaktor einen Heißgassammelraum auf, an den sich mehrere, vorzugsweise radiale Austrittsstutzen anschließen, die jeweils mit einer zu der Turbine oder den Turbinen führenden Heißgasleitung verbunden sind.

Wenn aus Kernreaktoren oder sonstigen Einrichtungen, die gegen Strahlungen nach außen abgedichtet sein müssen, Rohrleitungen oder dergleichen austreten, so sind besondere Sicherheitsvorkehrungen zu treffen, um den Durchtritt von schädlicher Strahlung durch den Rohrleitungsquerschnitt zu verhindern. Bei einem Kernreaktor der eingangs beschriebenen Bauart wird zudem davon ausgegangen, daß die im Spannbetondruckbehälter integrierten Einbauten wie Gasführungen, wärmetauschende Apparate, Armaturen u.a. für Inspektion, Wartung, Reparatur und Ausbau weitgehend zugänglich sein müssen. Dies setzt voraus, daß diese Einbauten so weit wie möglich vor einer Aktivierung durch direkte Neutronenbestrahlung geschützt werden müssen, um eine technisch und wirtschaftlich sinnvolle Demontage dieser Komponenten — d. h. ohne großen Strahlenschutzaufwand — zu ermöglichen. Insbesondere trifft dies auf die Heißgasleitungen zu, die den Reaktorkern mit der Turbine oder den Turbinen verbinden.

Es gehört zum Stand der Technik, bei Atomreaktoren, die mit den Wärmetauschern in einem gemeinsamen Druckbehälter untergebracht sind, den den Reaktorkern enthaltenden Teil der Anlage durch Abschirmeinrichtungen von dem Teil zu trennen, in dem die Wärmetauschergruppen installiert sind. Durch eine besondere Formgebung des Abschirmungsaufbaus wird dafür Sorge getragen, daß das Kühlmittel ohne wesentlichen Druckabfall vom Reaktorkern zu den Wärmetauschern strömen kann, ohne daß die Abschirmwirkung beeinträchtigt wird.

In der Auslegeschrift 10 83 945 wird z.B. ein Kernreaktorschirm beschrieben, der ein zylindrisches Innenstück und einen äußeren Abschirmungsring aufweist, die zusammen teilringförmige Strömungswege für das Kühlmittel bilden. Durch einen weiteren Abschirmungsring mit kleinerem Innendurchmesser wird die Kühlmittelströmung nach innen umgeleitet. Der Abschirmungsaufbau setzt sich aus Borstahl- und Graphitschichten zusammen, auf die oben und unten Platten aus Flußstahl aufgesetzt sind.

Bei dem in der Auslegeschrift 15 89 848 dargestellten Kernreaktor bestehen die Abschirmeinrichtungen zwischen dem Reaktorkern und den Wärmetauschergruppen aus Betonwänden, die Öffnungen für das Kühlmittel besitzen. Die Betonwände sind mit Leitflächen ausgestattet, die eine durch die Öffnungen zu den Wärmetauschern gerichtete Strahlung verhindern.

Während die beiden erwähnten Auslegeschriften einen Atomkernreaktor mit zylindrischem Kernaufbau und zylindrischem Druckbehälter betreffen, ist in der Auslegeschrift 11 69 045 ein weiterer mit einer Schutzabschirmung versehener Kernreaktor beschrieben, der zwar ebenfalls einen zylindrischen Kernaufbau aufweist, aber in einem kugelförmigen Druckbehälter untergebracht ist. Hierbei wird der normalerweise freibleibende Hohlraum zwischen Reaktorkern und Druckbehälter durch die Installierung einer Abschirmung aus Borstahl- und Graphitschichten nützlich ausgefüllt, und in diesem

Bereich werden die AMführungsieitung und die Abführungsleitung für das Kühlmittel durch den Druckbehälter verlegt. Auf diese Weise werden die beiden Leitungen und die sich an diese anschließenden Wärmetauscher vor einer Aktivierung geschützt. Um die Höhe der Abschirmung relativ gering halten zu können, smn die Zuführungs- und die Abführungsleitung für das Kühlmittel koaxial zueinander verlegt

Ferner wird noch auf die Offenlegungsschrift 14 64 705 verwiesen, die eine gegen Strahlung abgeschirmte Rohrleitung betrifft. Die Rohrleitung wird gerade aus dem Kernreaktor herausgeführt, wobei sie im Befeich der Durchführung erweitert und die Abschirmung gewissermaßen in die Rohrleitung hineinverlegt ist Die Abschirmung deckt den Leitungsquerschnitt ab, und die Gas- oder Flüssigkeitsströmung wird um die Abschirmung herumgeführt Diese Art der Abschirmung zeigt den Nachteil, daß der Leitungsquerschnitt im Bereich der Abschirmung vergrößert sein muß.

Von diesem Stand der Technik wird bei der vorliegenden Erfindung ausgegangen, wobei ihr die Aufgabe zugrunde liegt, einen Hochtemperaturreaktor der eingangs geschilderten Bauart anzugeben, bei dem eine direkte Neutroneneinstrahlung aus dem Heißgassammelraum in die Heißgasleitungen und damit eine Aktivierung der metallischen Einbauten dieser Leitungen verhindert wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die gestellte Aufgabe bei dem eingangs genannten Reaktor dadurch gelöst, daß in dem Heißgassammelraum über dessen ganze Höhe eine Neutronenabschirmung in Form einer Ringmauer vorgesehen ist, die koaxial zu der Reaktorkaverne und mit einem solchen Abstand zu ihr angeordnet ist daß der entstandene Ringraum für die Kühlgasströmung ausreichend dimensioniert ist und daß die Ringmauer mehrere Reihen von Schlitzen für den Kühlgasdurchtritt aufweist, die zu den Reaktoraustrittsstutzen versetzt angeordnet sind.

Durch den Einsatz der Ringmauer gemäß der Erfindung wurden die metallischen Einbauten der Heißgasleitungen zwischen dem Reaktorkern und der Turbine oder den Turbinen abgeschirmt so daß eine Aktivierung und Versprödung des Materials vermiede'i wird. Außerdem ermöglicht die Neutronenabschirmung den Ausbau der Heißgasleitungen mit einem geringeren Strahlenschutzaufwand, als er ohne .-iie erfindungsgemäße Maßnahme erforderlich wäre. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß durch Anordnung der Ringmauer und der vornehmlich radial verlaufenden Schlitze eine Zwangsführung des heißen Kühlgases erreicht wird, die eine Verbesserung der Temperaturverteilung ar. den Reaktoraustrittsstutzen zur Folge hat; durch eine gute Vermischung des Kühlgases können keine heißen oder kalten Strähnen entstehen. Tragende Funktionen werden von der Ringmauer nicht ausgeübt.

Die Ringmauer besteht vorzugsweise aus Graphit, der eine borierte Zone aufweist. Bei einem Kernkraftwerk, das drei gleich parallelgeschaltete und symmetrisch angeordnete Wärmenutzungkreisläufe (Loops) umfaßt und für 3 · 350 MWe ausgelegt ist, besteht die Ringmauer beispielsweise aus einer Gräphitschicht von 40 cm Dicke, und die borierte Zone (mit einem Gehalt von ca. 0,5% Bor) ist ungefähr 20 cm stark. Die Höhe der Ringmauer beträgt etwa 210 cm.

Unter Berücksichtigung der wichtigsten Aktiviemngsproduktc (Co. Hf. Ta) ergab eine Abschätzung, daß der thermische NeutronerHuß Θ,λ in den Heißgaslc'.tungen durch Einbau der Ringmauer um ca. zwei Größenordnungen reduziert wird. Im 3ereich des Anschlusses der Heißgasleitungen an die Reaktoraustrittsstutzen beträgt Θ,_Λ = 2 · 10⁷ n/cm² sec, während am Turbineneintritt mit einem thermischen Neutronenfluß von Θ,/,=2 · 10⁵ n/cm³ see gerechnet werden muß. Um den Einbau zu erleichtern, besteht die Ringmauer aus einer Anzahl von Graphitsegmenten. Bei dem als Beispiel angeführten Kernkraftwerk mit drei Wärme-

to nutzungskreisläufen wird die Ringmauer von ca. 36 Graphitsegmenten gebildet die so bemessen sind, daß sich ein Innendurchmesser von 837 cm und ein Außendurchmesser von 953 cm für die Ringmauer ergibt

Vorteilhafterweise sind die Ringmauersegmente in die Tragblöcke für den Reaktorkern und in die Bodenisolierung der Reaktorkaverne eingezogen, um eine Überdeckung mit anderen Abschirmwerkstoffen zu erreichen. Die Abstützung der einzelnen Graphitsegmente erfolgt — ähnlich wie bei den Tragsäulen für den Reaktorkern — über Wärmeisolator'·'! auf dem Liner. Das obere Ende der Graphitsegmente ist mittels Dübeln im Seitenreflektor des Reaktors verankert

Es ist zweckmäßig, in den Ringmauersegmenten Aussparungen vorzusehen, die die Tragsäule!, zur Abstützung des Reaktorkerns aufnehmen. Die Ausnehmungen sind groß genug dimensioniert, um eine freie Bewegung der Säulen unter allen Betriebsbedingungen zu gestatten; d. h. die Funktionen der Tragsäulen werden durch das Vorhandensein der Abschirmringmauer nicht beeinträchtigt

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist in der Ringmauer eine Anzahl von Abschirmstäben aus B4C vorgesehen, die in Vertikalbohrungen der einzelnen Graphitsegmente installiert sind. Jede Bohrung ist mit einem Graphitstopfen verschlossen. Die Abschirmstäbe sind beispielsweise in vier auf verschiedenen Teilkreisen befindlichen Reihen angeordnet, wobei sie derart gegeneinander versetzt sind, daß sich ihre Wirkungsbereiche vollständig überdecken. In ihrem Außendurchmesscr entsprechen die Abschirmstäbe vorteilhafterweise den in an sich bekannter Weise in der Bodenreflektorabschirmung vorgesehenen Abschirmstäben.

Bei einem Kernkraftwerk mit drei Wärmenutzungskreisläufen, zu dem also drei Turbosätze gehören, ist die Ringmauer mit 6 · 6 Schlitzreihen für den Kühlgasdurchtritt ausgestattet, wobei jeweils zwei Schlitzreihen einem Reaktoraustrittsstutzen zugeordnet sind. Jeder

so Stutzen ist über eine Heißgasleitung mit einem der drei Turbosätze verbunden. Die Schlitze sind strömungstechnisch optimiert.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Hochtemperaturreaktors gemäß der Erfindung schematisch dargestellt, und zwar zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch den Kernreaktor nach der Linie l-l der F i g. 2,

F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der F i g. I,
Fig.3 einen Schnitt nach der Linie HI-III der Fig.2 in vergrößerter Darstellung.

Die Fig, I und 2 lassen einen Hochtemperaturreaktor 1 erkennen, der im Zentrum eines zylindrischen Spannbetondruckbehälters 2 angeordnet ist, in dem auch die übrigen Kreislaufkomponenten (Turbogrup-

fi'i pen. wärmetauschende Apparate, Gasführungen) in teils horizontal·:·¹. leils verikalen Stollen untergebracht νηά Von diesen sind in der Zeichnung nur zwei vertikale Gasführungsstollcn 3 zu sehen. Der Hochlcmpcraturre-

aktor 1 ist in einer zylinderförmigen Kaverne 4 eingebaut, die (wie alle anderen Ausnehmungen im Spannbetondruckbehälter 2) nut einem Liner 5 ausgekleidet ist und zusätzlich eine thermische Isolierung 6 aufweist.

Über den Hochtemperaturreaktor 1. der als graphitmoderierier. heliumgekühlter Kernreaktor ausgeführt ist. sind drei parallelgeschaltcte und symmetrisch angeordnete Wärmenutzungskreisläufe gekoppelt, von denen jeder einen aus Turbine und Verdichter bestehenden Gasturbosatz sowie einen Rekuperator und einen Vorktihler umfaßt. Unterhalb des Bodens des Reaktorkern, der aus Tragblöcken 7 für die Kernabstützung gebildet wird, befindet sich ein Heißgassammelraum 8 zur Aufnahme des aus dem Kern austretenden erhitzten Gases. Die Tragblöcke 7 stützen sich auf Säulen 9 ab. Über dem Reaktorkern ist ein Kaltgassammelraum 10 vorgesehen, der das aus dem Hauptkreislauf zurückströmende Gas aufnimmt, bevor es wieder dem Reaktorkern zugeleitet wird. Durch drei radiale Austrittstutzen 11 und ebensoviele radiale Eintrittsstutzen 12 ist der Hochtemperaturreaktor 1 mit den drei VVärmenutzungskreiläufcn verbunden, wobei die Zuführung des heißen Gases zu den drei Turbinen durch drei innerhalb der vertikalen Gasführungsstollen 3 verlegte Heißgasleitungen 13 erfolgt. Die an die Reaktoreintriusstutzen 12 angeschlossenen Kaltgasleitungen 14 sind ebenfalls in den vertikalen Gasführungsstollen 3 installiert.

Der Reaktorkern ist von einem Seitenreflektor 15 umgeben und besitzt nach dem Kaltgassammelraum 10 hin eine Neutronenabschirmung 16. die Durchlässe (nicht dargestellt) für das Kühlgas aufweist. In dem Heißgassammelraum 8 ist koaxial zur Reaktorkaverne 4 eine weitere Neutronenabschirmung vorgesehen, die die Form einer Ringmauer 17 hat und einen Ringraum 18 entstehen läßt, der auf der anderen Seite vom Liner 5 der Reaktorkaverne 4 begrenzt wird. Nach oben hin ist der Ringraum 18 durch eine Umfangsdichtung 19 abgeschlossen. Die Ringmauer 17 ist aus einer Anzahl von Segmenten 20 zusammengesetzt: sie besteht aus Graphit, der eine borierte Zone aufweist. Ihre Aufgabe ist e·, zu verhindern, daß die Heißgasleitungen 13, die sich an die Reaktoraustnttsstutzen 11 anschließen, einer direkten Neutroneneinstrahlung aus dem Heißgassammelraum 8 ausgesetzt sind. Für den Durchtritt des heißen Kuhlgases sind in der Ringmauer 17 mehrere Reihen von Schlitzen 21 vorgesehen, deren Anordnung so getroffen is;, daß sie zu den Reaktoraustrittsstutzen versetzt liegen.

Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel gehört zu dem Hochtemperaturreaktor auch ein Nachwärmeabfuhrsystem (nicht dargestellt), dessen Heißgasleitungen 22 ebenfalls an den Heißgassammelraum 8 angeschlossen sind. Das gesamte System ist in drei vertikalen Stollen installiert, die sich jeweils auf Lücke zwischen den Gasführungsstollen 3 befinden. Die Anschlüsse 23 für die drei Heißgasleitungen 22 sind ebenfalls auf Lücke zu den drei Reaktoraustnttsstutzen gesetzt, wie aus der Fig.2 ersichtlich. Die Anordnung der Kühlgasschlitze 21 ist so getroffen, daß die den Reaktoraustnttsstutzen 11 und den Anschlüssen

23 gegenüberliegenden Teile der Ringmauer 17 frei von Schlitzen bleiben: d.h. die dazwischen liegenden Bereiche weisen je eine Reihe von Schlitzer, 21 auf. Zahl und Größe der Schlitze 21 sowie Breite des Ringraiimes 18 sind strömungstechnisch optimiert. In der F i g. 2 sind nur zwei Reihen von Schlitzen gezeigt.

In der F i g. 3 wird eine genauere Darstellung der Ringmauer 17 und ihrer Funktion gegeben. Gleiche Bauteile sind dabei mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie in den F i g. I und 2.

Wie bereits erwähnt, schließt die Ringmauer 17 zusammen mit dem Liner 5 der Reaktorkaverne 4 einen Ringraum 18 ein. liurch den das heiße Kühlgas zu den Reaktoraustrittsstutzen 11 strömt. Der Durchtritt des Kühlgases zu dem Ringraum 18 erfolgt durch die Schlitze 21, die versetzt zu den Reaktoraustrittsstutzen 11 und den Anschlüssen 23 für das Nachwärmeabfuhrsystem in der Ringmauer 17 angeordnet sind. Auf diese Weise wird eine gute Abschirmung der sich an die Stutzen 11 und Anschlüsse 23 anschließenden Leitungen 13 bzw. 22 gegen direkte Neutroneneinstrahlung erreicht und eine Aktivierung und Versprödung des Materials dieser Leitungen verhindert. Die Heißgasleitungen lassen sich daher mit geringem Strahlenschutzaufwand ausbauen.

Um die Abschirmwirkung der Ringmauer 17 noch zu verbessern, sind ihre Graphitsegmente 20 auf der oberen Seite in die Tragblöcke 7 für die Reaktorabstützung und auf der unteren Seite in die Bodenisolierung 24 der Kaverne 4 eingezogen. In den Tragblöcken 7 sind die Graphitsegmente 20 durch Dübel 25 fixiert. Mit ihrem unteren Ende stützen sie sich über Wärmeisolatoren 26 auf der Bodenisolierung 24 ab. Ähnliche Wärmeisolatoren 27 dienen auch zur Abstützung und gleichzeitigen Lagerung der Säulen 9. Innerhalb der Ringmauer 17 sind ebenfalls Tragsäulen 9 vorgesehen, wo sie in besonderen Aussparungen angeordnet sind, die der Funktion der Tragsäulen unter allen Betriebsbedingungen Rechnung tragen (nicht dargestellt). Damit die bei thermischer Belastung auftretenden vertikalen und horizontalen Dehnungen der Ringmauersegmente 20 kompensiert werden können, sind in den Tragblökken 7 hinreichend große Aussparungen 33 zur Aufnahme der Segmente 20 vorgesehen.

Ferner weist die Ringmauer 17 eine Anzahl von vertikalen Bohrungen 30 auf, in denen je ein Abschirmstab 28 untergebracht ist. Die Bohrungen 30 sind oben je mit einem Stopfen 29 verschlossen. Das Material der Abschirmstäbe 28 ist B₄C. Die Bohrungen 30 sind in vier auf verschiedenen Teilkreisen liegenden Reihen angeordnet, und ihr Abstand sowie der Abstand der Reihen ist so festgelegt, daß sich die Wirkungsbereiche der einzelnen Stäbe 28 überdecken.

Durch Pfeile ist der Strömungsweg des Kühlgases aus dem Heißgassammelraum 8 durch die Schlitze 21 in der Ringmauer 17 in den Reaktoraustrittstutzen 11 angedeutet Da der Stutzen 11 hohen thermischen Belastungen (ca. 850° C) ausgesetzt ist, besteht er aus Keramik, und zwischen ihm und dem Liner 32 des Stollens, in dem der Stutzen 11 installiert ist, befindet sich eine Wärmeisolierung 31.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Hochtemperaturreaktor mit geschlossenem Gaskühlkreislauf, der gemeinsam mit wärmetauschenden Apparaten und mindestens einem Gasturbosatz sowie den das Gas führenden Leitungen zwischen den einzelnen Komponenten in Ausnehmungen eines Spannbetondruckbehälters untergebracht ist, wobei der Reaktor in einer zylinderförmigen, mit einem Liner ausgekleideten Kaverne und ι ο die anderen Komponenten in teils horizontalen, teils vertikalen Stollen installiert sind, und der in seinem unteren Bereich einen Heißgassammelraum aufweist, an den sich mehrere, vorzugsweise radiale Austrittstutzen anschließen, die jeweils mit einer zu ι s der Turbine oder den Turbinen führenden Heißgasleitung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Heißgassammelraum (8) über dessen ganze Höhe eine Neutronenabschirmung in Ftjrm einer Ringmauer (17) vorgesehen ist, die koaxial zu der Reaktorkaverne (4) und mit einem solchen Abstand zu ihr angeordnet ist, daß der entstandene Ringraum (18) für die Kühlgasströmung ausreichend dimensioniert ist, und daß die Ringmauer (17) mehrere Reihen von Schlitzen (21) für den Kühlgasdurchtritt aufweist, die zu den Reaktoraustrittsstutzen (11) versetzt angeordnet sind.

2. Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringmauer (17) aus Graphit besteht, der eine borierte Zone aufweist

3. Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringmauer (17) aus einer Anzahl von Graphitsigmenten (20) zusammengesetzt ist.

4. Hochtemperaturreaktor t jch Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringmauersegmente (20) in die Tragblöcke (7) für den Reaktorkern und in die Bodenisolierung (24) der Reaktorkaverne (4) eingezogen sind.

5. Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich jedes Ringmauersegment (20) über Wärmeisolatoren (26) auf dem Liner (5) abstützt.

6. Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringmauersegmente (20) Aussparungen zur Aufnahme von Tragsäulen (9) für die Reaktorkernabstützung aufweisen.

7. Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ringmauer (19) eine Anzahl von in Vertikalbohrungen (30) angeordneten Abschirmstäben (29) vorgesehen ist, die auf verschiedenen Teilkreisen derart gegeneinander versetzt angeordnet sind, daß sich ihre Wirkungsbereiche überdecken.

8. Hochtemperaturreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Reaktoraustritts* stutzen (11) zwei Reihen von Schlitzen (21) zugeordnet sind.