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Kernreaktoranlage mit einem Hochtemperaturreaktor mit block-
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oder kugelförmigen Brennelementen und gasförmigem Kühlmedium Die Erfindung
betrifft eine Kernreaktoranlage, bestehend aus einem Hochtemperaturreaktor mit block-
oder kugelförmigen Brennelementen und gasförmigem Kühlmedium, aus Dampferzeugern,
Hauptgebläse und Nachwärmeabfuhreinrichtungen sowie aus einem berstsicheren vorgespannten
Druckbehälter für den Hochtemperaturreaktor und einem oder mehreren berstsicheren
vorgespannten Druckbehältern für die Dampferzeuger.
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Bisher wurde für derartige Kerureaktoranlagen vorwiegend eine vollintegricrtc
Ausführung in Betracht gezogen, bei welcher der Hochtemperaturreaktor, die Dampferzeuger,
die Hauptgebläse und die Nachwärineabfuhreinrichtungcn in einem vorgespannten Betonbehälter
angeordnet sind.
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Will man von dem Betonbehälter zu einem vorgespannten Gußdruckbehälter
übergehen, um vor allem die Bauzeit der Anlage zu verkürzen, so erhält man bei nur
einem Behälter sehr hohe Decken.
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Dies erfordert einen großen Einsatz an Gußeisengewicht und bedingt
letztlich einen hohen Preis.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, den Hochtemperaturreaktor in
einem vorgesparniten Gußdruckbehälter zu installieren und für jeden Dampferzeuger
mit Hauptgebläse einen besonderen Gußdruckbehälter (Satellitenbehälter) vorzusehen,
wobei die Gußdruckbehälter für die Dampferzeuger auf einem Teilkreis um den Reaktor-Gußdruckbehälter
angeordnet sind. Durch zwei horizontale Gasführungen ist der Hochtemperaturreaktor
jeweils mit einem der Dampferzeuger verbunden. Diese Gasführungen setzen eine Anzahl
von großen Durchbrüchen in der Zylinderwandung der vorgespannten Gußdruckbehälter
voraus, wodurch die Festigkeit besonders des für den Hochtemperaturreaktor bestimmten
Gußdruckbehälters in unzulässiger Weise geschwächt wird. Eine derartige aufgelöste
Bauweise ist daher nur schwer zu realisieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Kernreaktoranlage
der eingangs beschriebenen Art durch Reduzierung der Anzahl der Satellitenbehälter
den Aufwand an Gußeisengewicht sowie den Preis der Anlage zu verringern, ohne dabei
die Festigkeit der vorgespannten Druckbehälter herabzusetzen.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter
für den Hochtemperaturreaktor mit dem(li) Dampferzeuger-Druckbehälter(n) durch berstsichere
Verbindungskanäle verbunden ist, die unter diesen Druckbehältern angeordnet sind.
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Gemäß der Erfindung können alle vorhandenen Druckbehälter, also sowohl
der Druckbehälter für den Hochtemperaturreaktor als auch der oder die für die Dampferzeuger,als
Gußdruckbehälter ausgeführt sein. Es kann aber auch eine gemischte Bauweise angewandt
werden; z.B. kann der Druckbehälter des Hochtemperaturre aktors als vorgespannter
Betondruckbehälter ausgeführt sein, während der oder die Dampferzeuger in vorgespannten
Gußdruckbehältern untergebracht ist/sind.
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Die drucktragenden Außenwände der Verbindungskanäle können (ähnlich
wie die Gußdruckbehälter für den Hochtemperaturreaktor und die Dampferzeuger) aus
gußeisernen Blöcken zusammengesetzt sein, die in Längsrichtung und Umfangsrichtung
der Kanäle durch Stahlkabel miteinander verspannt sind. Die Verbindungskanäle sind
in diesem Falle in Stollen angeordnet.
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Vorteilhafterweise sind die Verbindungskanäle der Druckbehälter zum
Schutze ihrer peripheren Stahlkabel (Spannkabel) mit schalenförmigen metallenen
Abdeckungen versehen. Dadurch wird für den hypothetischen Fall des Reißens einer
Hauptleitung (Frischdampfleitung, Speiseleitung) die Dichtheit des Druckkörpers
gewährleistet und ein Austreten des gasförmigen Kühlmediums verhindert.
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Es ist vorteilhaft, die berstsicheren Verbindungskanäle als Doppelkanäle
auszubilden, wobei während des Betriebes im Innenrohr das heiße Kühlgas des Hochtemperturraktors
und im ringförmigen Außenkanal das kalte Kühlgas strömt. Dabei kann das Innenrohr
jedes Verbindungskanals über ein Verzweigstück und mehrere Verzweigleitungen mit
mehreren Dampferzeugern verbundden sein, die auf diesem Wege mit heißem Kühlmedium
beaufschlagt werden.
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Zweckmäßigerweise ist im unteren peripheren Bereich des Druckbehälters
für den Hochtemperaturreaktor ein ringförmiger oder sektorförmiger lleißgassamm-elkanal
vorgesehen, von dem die
Innenrohre der Verbindungskanäle zwischen
den Druckbeliälterji abzweigen.
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Als Alternative zur Ausführung der Verbindungskanäle mit aus Gußeisenblöcken
zusammengesetzten Außenwänden können diese Verbindungskanäle als U-förmige Doppelrohre
(Stahlrohre) ausgeführt sein, von denen jedes durch ein druckfestes, im Normalbetrieb
jedoch nicht druckbelastetes Berstschutzrohr umhüllt ist.
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Der konstruktive Vorteil hierbei liegt darin, daß diese U-förmigen
Stahlrohre sowohl ihre eigenen Wärmedehnungen als auch die Wärmedehnungen der Gußdruckbehälter
aufnehmen können, wodurch dieses schwierige Problem etwas vereinfacht wird. Die
Berstschutzrohre der U-förmigen Doppelrohre sind zweckmäßigerweise mit Spannkabeln
umwickelt.
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Die Anordnung der Hauptgebläse für das Kühlmedium kann in den horizontalell
Stollen der Verbindun#slcanäle oder in den Oberteilen der Druckbehälter der Dampferzeuger
erfolgen. In letzterem Falle ist es vorteilhaft, als Verbindungskanäle zwischen
den Druckbehältern die U-förmigen Doppelrohre zu verwenden.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist nur ein Hauptgebläse für
die Anlage vorgesehen, das von einer Gasturbine angetrieben wird und in dem Stollen
eines Verbindungskanals angeordnet ist. Dabei kann die vom heißen Kühlmedium durchströmte
Gasturbine hinsichtlich ihres Druckgefälles so ausgelegt werden, daß entweder durch
sie nur der Leistungsbedarf des Hauptgebläses gedeckt wird oder aber daß der Gasturbinensatz
im Normalbetrieb über seinen Anwurfmotor elektrische Leistung nach außen abgibt.
Im letzteren Falle handelt es sich dann um eine kombinierte Gasturbinen-Dampfturbinen-Anlage
mit einem Hochtemperaturreaktor als Wärmequelle. Diese Kombinationsanlage erlaubt
eine Steigerung des thermischen Wirkungsgrades von ca.
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40 auf 44% (bei 85000 Kühlmedium-Eintrittstemperatur in die Gasturbine.)
Sind
zwei Hauptgebläse für die Anlage vorgesehen, so werden diese vorteilhafterweise
durch Vors chaltdampfturbinen angetrieben, welche von dem in den Dampferzeugern
erzeugten Dampf durchströnit werden.
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Gemäß einer zweckmäßigen Weiterentwicklung der Erfindung sind in einem
Dampferzeuger-Druckbehälter zwei oder mehrere Dampferzeuger angeordnet. Dabei besitzt
jeder Dampferzeuger an seinem unteren Ende einen halbkugelähnlichen Heißgasverteilerraum,
durch den auch die Speiseleitung und die Frischdampfleitung des Dampferzeugers hindurchgeführt
sind. Während des Betriebes werden die Heizrohrbündel der Dampferzeuger vom Wasser
bzw. Dampf von unten nach oben und/oder von oben nach unten durchströmt.
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Die Anspeisung der Dampferzeuger mittels der Speiseleitungen und die
Wegleitung der Frischdampfleitungen von den Dampferzeugern erfolgt dabei durch den
Boden der jeweiligen Dampferzeuger-Druck behälter, der als drucktragende Bodenplatte
ausgeführt ist.
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Vorteilhafterweise sind die Nachwärmeabfuhreinrichtungen im Druck
behälter des Hochtemperaturreaktors angeordnet. Hierdurch wird den hohen Sicherheitsanforderungen
bezüglich der Nachwärmeabfuhr entsprochen.
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Weitere Vorteile der hier dargestellten Kernreaktoranlage in aufgelöster
Bauweise gegenüber vollintegrierten Reaktorkonzepten bestehen in einer klaren räumlichen
Trennung der Brennelementbe s chilc kung bzw. Brennelementabfuhr des Reaktorkerns
von der Anspeisung der Dampferzeuger mittels der Hauptleitungen (Speiseleitungen,
Frischdampfleitungen) sowie in der Möglichkeit, den Gußdruckbehälter des Hochtemperaturreaktors
und die bzw. den Dampferzeuger-Gußdruckbehälter gleichzeitig montieren zu können.
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In den Zeichnungen sind drei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
schematisch dargestellt.
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Fig. 1 zeigt einen Vertikalschnitt nach der Linie A-B
der
Fig. 2 cltlrcll eine erste Au s fiillrunes fo rin mit einem Gußdruckbehälter für
den Hochtemperaturreaktor und einem Gußdruckbehälter für die Dampferzeuger sowie
zwei berstsicheren Verbindungskanälen, in denen je ein durch eine Vorschaltdampfturbine
angetriebenes flaul)tgeDlase angeordIlet ist; Fig. 2 zeigt einen Horizontalschnitt
nach der Linie C-D der Fig. 1; Fig. 3 zeigt einen Horizontalschnitt nach der Linie
E-F der Fig. 1; Fig. 4 zeigt einen Vertikalschnitt nach der Linie G-H der Fig. 5
eines zweiten Ausführungsbeispiels mit je einem Gußdruckbehälter für den Hochtemperaturreaktor
und die Dampferzeuger und mit nur einem, von einer Gasturbine angetriebenen Hauptgebläse;
Fig. 5 zeigt einen Horizontalschnitt nach der Linie I-K der Fig. 4; Fig. 6 zeigt
einen Vertikalschnitt nach der Linie L-M der Fig. 7 eines weiteren Ausführungsbeispiels
mit einem Gußdruckbehälter für den Hocl1temperaturreaktor und mit zwei Dampferzeuger-Gußdruckbehältern;
Fig. 7 zeigt einen Horizontalschnitt nach der Linie N-O der Fig. 6; Fig. 8 zeigt
in vergrößerter Darstellung eine Einzelheit der Fig. 6.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist ein Hochtemperaturreaktor, dessen
Kern 1 aus Kugelbrennelementen und Reflektoren gebildet ist, in einem Gußdruckbehälter
2 angeordnet, der aus vorgespannten gußeisernen Blöcken aufgebaut ist. An der Peripherie
des Gußdruckbehälters ist im unteren Bereich ein ringförmiger Heißgassammelkanal
3 angeordnet, in dem sich das heiße,aus den Reaktorkern 1 austretende Kühlmedium
zunächst sammelt.
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Über dem Heißgassammelkanal 3 sind drei oder vier Nachwärmeabfuhreinrichtungen
4 (bestehend je aus Hilfswärmctauscher und Hilfsgebläse) angeordnet.
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Ein berstsicherer, aus Gußeisenblöcken aufgebauter Dampferzeuger-Gu13druckbehälter
5 enthält sechs Dampferzeuger 6, von denen jeder an seinem Unterteil einen halbkugelähnlichen
Hei13gasverteilraum 7 besitzt. Die Speiseleitung 8 und die Frischdampfleitung 9
jedes Dampferzeugers 6 sind durch eine drucktragende Bodenplatte 5a d es Dampferzeuger-Gußdruckbehälters
5 hindurchgeführt.
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Der Gußdruckbehälter 2 des Hochtemperaturreaktors und der Dampferzeuger-Gußdruckbehälter
5 sind durch zwei Verbindungskanäle 10 verbunden, die je als Doppelkanäle ausgebildet
sind und in einem horizontalen Stollen 10g angeordnet sind. Während des Betriebes
wird das Innenrohr 10a von heißem Kühlmedium und der Außenkanal 10b von kaltem Kühlmedium
durchströmt. Die Außenwände 10c der Verbindungskanäle 10 bestehen aus gußeisernen
Blöcken, die durch stählerne Spannkabel verspannt sind. Zum Schutze der peripheren
Spannkabel sind die Verbindungskanäle 10 mittels schalenförmiger, metallener Abdeckungen
10d verkleidet. Jedes Innenrohr 10a besitzt ein Verzweigungsstück 10e, von dem drei
Verzweigleitungen 10f zu je drei Dapferzeugern 6 führen.
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In den horizontalen Stollen 10g der Verbindungskanäle 10 sind zwei
Hauptgebläse 11 für das Kühlmedium angeordnet, welche durch Vorschaltdampfturbinen
12 angetrieben werden.
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Das vom Reaktorkern 1 kommende heiße Kühlmedium strömt während des
Betriebes über den Heißgassammelkanal 3, durch die Innenrohre 10a und deren Verteilstücke
10e und Verzweigleitungen 10f zu den Dampferzeugern 6, wo es seine Wärme abgibt.
Das kalte Kühlmedium strömt von den Dampferzeugern 6 über die
Hauptgebläse
11 und die Außenkanäle 10b zurück zum Reaktorkern 1.
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Die gesamte Reaktoranlage ist in einem druckfesten zylinderförmigen
Reaktorschutzgebäude angeordnet. Die Druckbehälter 2 und 5 stehen auf ringförmigen
Betonfundamenten.
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Die Fig. 4 und Fig. 5 zeigen eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes,
bei der ein gasturbinengetriebenes Hauptgebläse zur Anwendung kommt.
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Das Hauptgebläse 11 mit der Gasturbine 11a ist im horizontalen Stollen
10g eines Verbindungskanals 10 angeordnet, der den Gußdruckbehälter 2 des Hochtemperaturreaktors
und den Dampferzeuger-Gußdruckbehälter 5 verbindet. Der Anwurfinotor 11b des Gasturbosatzes
ist außerhalb des Verbindungskanals 10 aufgestellt.
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Das vom Reaktorkern 1 kommende heiße Kühlmedium (Temperatur ca. 850°C)
strömt während des Betriebes über den Heißgassammelkanal 3, das Innenrohr 10a zur
Gasturbine 11a und von dieser weiter zu den Dampferzeugern 6, wo es auf etwa 30000
abgekiilllt wird. Das kalte Kühlmedium strömt von den Dampferzeugern 6 über den
Außenkanal 10b zum Hauptgebläse 11 und von diesem zurück zum Reaktorkern 1.
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Die Fig. 6 und Fig. 7 zeigen eine Ausführungsvariante mit zwei Dampferzeuger-Gußdruckbehältern.
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Im Oberteil j ede s Dampferzeuger-Druckbehälters 5 ist ein Hauptgebläse
11 angeordnet, das durch eine Vorschaltdampfturbine 12 angetrieben wird. Die Verbindung
zwischen dem Gußdruckbehälter 2 des Hoclltemperaturreaktors und den beiden Dampferzeuger-Gußdruc1d>e'1ältern
5 erfolgt durch sechs U-förmige Doppelrohre 13, von denen jedes durch ein druckfestes,
im Normalbetrieb jedoch
nicht druckbelastetes Berstschutzrohr
14 umhüllt ist.
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Fig. 8 zeigt in einer vergrößerten Detaildarstellung eines dieser
stählernen U-förmigen Doppelrohre 13 mit dem Bcrstschutzrohr 14. Das Berstschutzrohr
14 kann gegebenenfalls zusätzlich mittels stählerner Spannkabel 15 gegen Aufreißen
geschützt werden.