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Kernreaktor mit mehreren Spaltzonen
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Kernreaktor
mit mehreren getrennt voneinander in einem gemeinsamen Reaktortank angeordneten
Spaltzonen. Der hauptsächlich aus wirtschaftlichen Gründen erwünschte Bau von Kernenergieanlagen
hoher Leistung, z.B. von 2000 MW und darüber wirft eine Reihe von Problemen auf,
die durch ein einfaches lineares Extrapolieren der bislang gebauten Anlagen geringerer
Leistung nicht zu lösen sind. So muß z.B.
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der Sicherheitsbehälter nicht nur größer sein, um die vergrößerte
Spaltzone aufnehmen zu können, sondern auch widerstandsfähiger, da die bei einem
schweren Unfall in der Spaltzone freigesetzte Energiemenge ebenfalls größer ist.
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Ein solcher Sicherheitsbehälter läßt sich jedoch aus fertigungstechnischen
Gründen nur schwer realisieren. Aus kernphysikalischen Gründen ist eine Vergrößerung
der einzelnen Brennelemente eines Reaktors nur'in geringem Maße möglich.
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Eine Erhöhung der Leistung bedingt somit eine entsprechende Erhöhung
der Anzahl der Brennelemente, für deren Auswechseln oder Umsetzen jeweils eine bestimmte,
kaum zu verringernde Zeitspanne anzusetzen ist. Daher wird bei einer großen Anzahl
von Brennelementen der Grad der Verfügbarkeit der Anlage leicht auf ein wirtschaftlich
nicht mehr vertretbares Maß herabgedrückt.
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Kernenergieanlagen mit mehreren getrennt voneinander angeordneten
Spaltzonen sind bekannt, doch sind die verschiedenen Spaltzonen üblicherweise in
größerem Abstand voneinander und nicht innerhalb desselben Reaktortanks angeordnet.
In der DT-OS 2 137 012 wird ein Kernreaktor vorgeschlagen, bei dem innerhalb eines
Reaktortanks mehrere Spaltzonen auf einem gemeinsamen, um eine senkrechte Achse
drehbaren Gerüst angeordnet sind in der Art, daß sich jeweils eine der Spaltzonen
in abgeschaltetem Zustand unter einer Handhabungsvorrichtung befindet, vermittels
derer die Brennelemente derselben ausgewechselt werden können. Die übrigen Spaltzonen
sind gleichzeitig in Betrieb und an oberhalb von ihnen gelegene Wärmetauscher angeschlossen,
so daß der Betrieb der Kernenergieanlage aufrechterhalten wird. Immerhin bedingt
eine Kernenergieanlage nach diesem Vorschlag, daß stets eine der Spaltzonen außer
Betrieb ist, auch wenn dies gar nicht erforderlich sein sollte, weil kein Brennelementwechsel
notwendig ist. Darüber hinaus bedingt die drehbare Tragbühne einen nicht unwesentlichen
zusätzlichen Aufwand; ihre Betriebssicherheit ist darüber hinaus in einem mit Flüssigmetall
gekühlten Reaktor fragwürdig. Darüber hinaus wirft das vor und nach dem Drehen der
Spalt zonen erforderliche Ab- bzw. Ankuppeln der Regelelemente an ihre Antriebe
große sicherheitstechnische Probleme auf.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Kernenergieanlage, die
auch während notwendiger Wartungsarbeiten, beispielsweise während des Brennelementwechsels
mit Teillast weiter betrieben werden kann und in der der Reaktortank bei einem Unfall
in der Spaltzone einer geringeren Belastung ausgesetzt ist. Darüber hinaus soll
die erfindungsgemäße Anlage einfach zu warten und'möglichst platzsparend aufgebaut
sein.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß jede Spaltzone für
sich in einem ortsfesten und mit einem losbaren Deckel versehenen Einzelbehälter
angeordnet ist. Die Gesamtanlage wird dadurch auf mehrere unabhängig voneinander
zu betreibende, jedoch innerhalb eines gemeinsamen Reaktortanks angeordnete Einzelreaktoren
aufgeteilt, die jeder für sich zu Wartungszwecken zugänglich sind. Aus Gründen der
Platzökonomie innerhalb des Reaktortanks einerseits und der bei mehreren Spaltzonen
zusätzlich erforderlichen Einrichtungen andererseits erscheint eine Anzahl von drei
einzelnen Spaltzonen als besonders vorteilhaft.
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Die Größe des Reaktortanks vergrößert sich gegenüber der bei einer
einzelnen großen Spaltzone erforderlichen nur wenig, wie weiter unten an einer besonderen
Ausgestaltung der Erfindung gezeigt wird. Auch ist es vorteilhaft, daß jeder der
Einzelbehälter die Funktion eines Schildtankes erfüllen kann.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Einzelbehälter
gegen die Folgen eines Unfalles in der jeweiligen Spaltzone widerstandsfähig. Ein
solcher Unfall, der im Extremfall zum Schmelzen der gesamten Spaltzone führen kann,
ist naturgemäß leichter zu beherrschen, wenn die Anzahl der betroffenen Kernelemente
geringer ist und der die Spaltzone umschließende Behälter bei geringer Größe besonders
widerstandsfähig ausgebildet werden kann. Da die Einzelbehälter im Sicherheitsbehälter
von Kühlmittel umgeben sind, kann auch bei völligem Ausfall jeder, auch der Notkühlung
in einer der Spaltzonen dieselbe über die intakten Kühlkreisläufe der anderen Spalt
zonen in beschränktem Umfange weiter gekühlt werden.
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Beim Brennelementwechsel und bei umfangreicheren Wartungsarbeiten
an einer der Spaltzonen ist es sinnvoll, den Deckel zu entfernen, der den zugehörigen
Einzelbehälter
verschließt. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung
wird daher vorgeschlagen, daß der Reaktortank einen drehbaren Deckel aufweist, in
dem an sich bekannte Handhabungsvorrichtungen für Elemente der Spaltzonen und mindestens
ein Aufnahmeraum für den Deckel eines Einzelbehälters, sowie eine Hebevorrichtung
für den Deckel vorhanden sind. Dies erlaubt es, auf Handhabungsvorrichtungen für
jeden einzelnen Behälter zu verzichten und die Deckel derselben als einfache Festdeckel
auszuführen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der
Kühlmittelspiegel im Reaktortank bei abgenommenem Deckel eines Einzelbehälters auf
eine Höhe anhebbar ist, die mindestens um die Länge eines Elementes der Spaltzone
über der Oberkante der Spaltzone liegt. Hierdurch wirderreicht, daß aus der Spaltzone
entfernte Brennelemente durch einfaches Umsetzen entfernt werden können und dabei
ständig vom Kühlmittel bedeckt sind, so daß die Abfuhr der in ihnen erzeugten Nachzerfallswärme
keine Schwierigkeiten bietet. Da die anderen Einzelbehälter durch ihre Deckel verschlossen
sind, wird der Betrieb der in denselben angeordneten Spaltzonen nicht behindert.
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Zweckmäßigerweise ist jeder der Einzelbehälter mit getrennten Zu-
und Ableitungen für das Kühlmittel versehen. Hierfür wird gemäß einem weiteren Merkmal
der Erfindung vorgeschlagen, daß die Zu- und Abführungen in den Zwischenräumen zwischen
den Einzelbehältern und dem Reaktortank angeordnet sind.
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Um die erwähnten Zwischenräume noch besser nutzen zu können, sind
gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung in diesen Einrichtungen zum Lagern von
Elementen der Spaltzonen vorhanden, in denen die bestrahlten Brennelemente soweit
abklingen können, bis sie aus dem Reaktortank entfernt werden können. Sie sind dabei
dauernd durch das den
Zwischenraum zwischen den Einzelbehältern
und den Sicherheitsbehälter ausfüllende Kühlmittel bedeckt und werden ausreichend
gekühlt. Ihr Ausschleusen kann zu gegebener Zeit erfolgen, ohne den Betrieb der
Kernenergie anlage zu beeinträchtigen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt,
und zwar zeigt Figur 1 einen Längsaxialschnitt entsprechend der -Linie A-B der Figur
2 und Figur 2 einen Querschnitt entsprechend der Linie C-D der Figur 1.
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In einem Reaktortank 1, der mit einem drehbaren Deckel 2 verschiossen
ist, steht flüssiges Kühlmittel, beispielsweise Natrium mindestens bis zu einem
Notspiegel 3, vorzugsweise jedoch bis zu einem Betriebsspiegel 4 an. Zu bestimmten,
weiter unten erläuterten Zwecken kann der Kühlmittelspiegel bis auf einen Handhabungsspiegel
5 angehoben werden. Im Drehdeckel 2 ist eine Handhabungsvorrichtung 6 vorhanden,
mittels derer die einzelnen Elemente der Spaltzone eines Kernreaktors beliebig angehoben,
abgesenkt und durch Drehen des Drehdeckels 2 verschwenkt werden können.
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Bei den genannten Elementen kann es sich um Brenn-, Brut-, Moderator-,
Reflektor- oder Absorberelemente handeln. Die Handhabungsvorrichtung 6 ist hier
nur schematisch angedeutet, da derartige Vorrichtungen in einer Vielzahl von für
diesen Zweck geeigneten Ausführungen bekannt sind. Im Drejideckel 2 ist ferner ein
als sogenannte "heiße Zelle" ausgebildeter Raum 7 vorhanden, der mittels eines Schiebers
8 abgedichtet werden kann, sowie ein Hubwerk 9. Innerhalb des Reaktortanks 1 sind
drei Einzelbehälter 11, 21, 31 angeordnet, deren jeder eine aus einer Vielzahl von
Elementen bestehende Spaltzone 12, 22, 32 enthält. Die in den Spaltzonen 12, 22,
32 erzeugte Wärme wird durch ein
flüssiges Kühlmittel abgeführt,
das den Einzelbehältern 11, 21, 31 durch je zwei (die Anzahl von zwei Kreisläufen
je Spaltzone, also von sechs für die gesamte Anlage, erscheint aus Betriebs-, Sicherheits-
und Platzgründen hier am vorteilhaftesten) Druckleitungen 13, 23, 33 unter Druck
zugeführt und durch ebenfalls je zwei Saugleitungen 14, 24, 34 abgeführt wird. Das
Kühlmittel fließt durch die Saugleitungen 14, 24, 34 zu hier nicht dargestellten
Teilen der Anlage, beispielsweise Wärmetauschern und kehrt durch die Druckleitungen
13, 23, 33 zurück. Jeder der Einzelbehälter 11, 21, 31-ist mit einem Festdeckel
15, 25, 35 (letzterer hier nicht dargestellt) versehen. Während der Deckel 15 in
seiner normalen, den Einzelbehälter 11 abschließenden Stellung dargestellt ist,
ist der Deckel 25 vermittels des Hubwerks 9 in den Aufnahmeraum 7 gezogen worden.
Innerhalb von Gehäusen 16, 26, 36 (letzteres hier nicht dargestellt) sind geschützt
die für die Regelung jeder der Spaltzonen 12, 22, 32 erforderlichen Elemente untergebracht,
die konventioneller Bauart und daher hier nicht dargestellt sind. In der in der
Figur 1 dargestellten Lage ist der Deckel 25 des Einzelbehälters 21 abgehoben worden,
so daß letzterer nach oben zu offen ist. Durch ein Drehen des Drehdeckels 2, im
Beispiel um 1200, kann die Handhabungsvorrichtung 6 über die Spaltzone 22 verfahren
werden und zum Umsetzen oder Auswechseln der einzelnen Elemente der Spaltzone verwendet
werden. Eines der Elemente ist mit 27 bezeichnet und in einer Lage dargestellt,
die es während des Umsetzens einnehmen würde. Wie ersichtlich liegt der Handhabungsspiegel
5 so hoch, daß das Element 27 während des Umsetzvorganges stets mit Kühlmittel bedeckt
bleibt und dadurch ausreichend gekühlt wird.
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Ein weiteres Element 28 ist in seiner Absetzposition innerhalb einer
von mehreren Lagereinrichtungen 10 dargestellt. Die Einzelbehälter 11, 21, 31 ruhen
auf einer gemeinsamen Tragplatte 40, die mit Einrichtungen 41 zum Ein-und Ausschleusen
von Kernelementen in das bzw. aus dem
Lager 10 versehen ist. Auf
die Darstellung nicht erfindungswesentlicher Teile der Kernenergieanlage, beispielsweise
der Strahlenabschirmung und der Versorgung mit Schutzgas wurde der Obersichtlichkeit
halber verzichtet.