DE3212264A1

DE3212264A1 - Anlage zur nuklearen erzeugung von waerme und zu deren weiterverwendung in waermeaufnehmenden apparaten

Info

Publication number: DE3212264A1
Application number: DE19823212264
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl.-Ing. Dr. 7521 Hambrücken Schöning
Original assignee: Hochtemperatur Reaktorbau 5000 Koeln GmbH; Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Current assignee: Hochtemperatur Reaktorbau GmbH
Priority date: 1982-04-02
Filing date: 1982-04-02
Publication date: 1983-10-13

Description

Anlage zur nuklearen Erzeugung von Wärme
und zu deren Weiterverwendung in wärmeaufnehmenden Apparaten Die Erfindung betrifft eine Anlage zur nuklearen Erzeugung von Wärme und zu deren Weiterverwendung in wärmeaufnehmenden Apparaten mit einem Primärkreislauf, in dem ein Kühlgas mittels Umwälzgebläsen umgewälzt wird.
Stand der Technik sind Anlagen, bei denen ein Kernreaktor zur nuklearen Erzeugung von Wärme und die Apparate, die der Nutzung der gewonnenen Wärme dienen, gemeinsam in einem Druckbehälter, beispielsweise in einem Spannbetondruckbehälter, installiert sind. Die Abführung der Wärme aus dem Kernreaktor erfolgt hierbei durch ein Kühlgas, das mit Hilfe von Gebläsen in einem geschlossenen Kreislauf (Primärkreislauf) durch den Reaktorkern und die wärmeaufnehmenden Apparate gewälzt wird.
Je nach dem Verwendungszweck der gewonnenen Wärmeenergie kommet als wärmeaufnehmende Apparate von Anlage zu Anlage unter schiedliche Komponenten, z. B. Dampferzeuger, Röhrenspaltöfen oder Zwischenwärmetauscher zur Übertragung der Wärme auf ein in einem Sekundärkreis umlaufendes Gas, zum Einsatz.
So ist eine Anlage mit einem gasgekühlten Kugelhaufen-Kernrektor (THTR 300) bekannt bei der mehrere Dampferzeuger auf einem Teilkreis um den in einer Druckbehälterkaverne installierten Kernreaktor angeordnet síndg also etwa auf gleicher Höhe wie dieser liegen. Die Umwälzgebläse für das Kühlgas sind in der Seitenwand des Druckbehälters untergebracht, der in Spannbeton ausgeführt ist. Der in den Dampferzeugern gewonnene Dampf wird zur Stromerzeugung einer außerhalb des Spannbetondruckbehälters befindlichen Turbinenanlage zugeleitet.
Als weiteres Beispiel für eine Kernreaktoranlage in Kavernenbauweise mit einem Kugelhaufen-Kernreaktor, bei der die in dem Reaktorkern erzeugte Wärme durch Dampferzeuger verwertet wird, sei noch die AVR-Anlage genannt. Diese Anlage ist mit nur einem Dampferzeuger bestückt, welcher oberhalb des Reaktors angeordnet ist. Die Gebläse zur Umwälzung des Kühlgases, das den Rea}etorkern von unten nach oben durchströmt, befinden sich bei diesem Kernreaktor unterhalb des Reaktorkerns.
Kernreaktoranlagen zum Erzeugen von Synthesegas, das vorzugsweise bei der hydrierenden Kohlevergasung verwendet wird, sind in den deutschen Offenlegungsschriften 24 55 507 und 24 55 508 beschrieben. Jede dieser Anlagen umfaßt neben einem Hochtemperaturreaktor eine Reihe von Röhrenspaltöfen und diesen nachgeschalteten Dampferzeugern, wobei alle Komponenten in parallelen Ausnehmungen eines Spannbetondruckbehälters untergebracht sind. Der Primärkreislauf ist in mehrere gleiche Stränge unterteilt, die je einen Röhrenspaltofen, einen Dampferzeuger sowie ein unter dem jeweiligen Dampferzeuger angeordnetes Umwälzgebläse enthalten. Alle kühlgasführenden Leitungen zwischen den einzelnen Ausnehmungen sind als geradlinig und horizontal verlaufende Koaxialleitungen ausgebildet.
Stand der Technik ist auch ein He/He-Wärmetauscher, in dem nuklear gewonnene Wärme ausgekoppelt und über einen Sekundärkreislauf an eine Kohlevergasungsanlage mit Wasserdampf abgegeben wird. Ein derartiger Wärmetauscher ist in der deutschen Offenlegungsschrift 26 50 922 dargestellt. Der bekannte Wärmetauscher ist primärseitig an den Kühlkreislauf eines Hochtemperaturreaktors angeschlossen. Wärmetauscher und Reaktor sowie das dem Wärmetauscher nachgeschaltete Gebläse sind in parallelen Ausnehmungen eines Spannbetondruckbehälters untergebracht. Auch hier sind die Kühlgas-Verbindungskanäle zwischen den Ausnehmungen als geradlinige und horizontale Koaxiw al gasführungen ausgeführt.
Allen bekannten Anlagen ist gemeinsam, daß der die Wärmequelle bildende Hochtemperaturreaktor nur für einen bestimmten Anwendungsfall konzipiert ist; d.h. die'Anlagen liefern entweder Dampf zur Stromerzeugung oder als Prozeßdampf, oder sie stellen Prozeßgas oder Wärme für chemische Prozesse zur Verfügung. Der Verwendbarkeit seines in eine der bekannten Anlagen integrierten Hochtemperaturreaktors sind daher enge Garen; zen gesetzt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anlage der eingangs beschriebenen Bauart so auszugestalten, daß an die nukleare Wärmequelle in einfacher und wirtschaftlicher Weise unterschiedliche Wärmenutzungssysteme angekoppelt werden können.
Die Lösung der Erfindung ist gekennzeichnet durch: a.) einen mehrteiligen versagenssicheren Stahldruckbehälter, der in einem ersten zylindrischen Behälterteil ein von einem HT-Kleinreaktor gebildetes Basissystem und in eiem zweiten, sich nach oben anschließenden zylindrischen Behälterteil ein die wärmeaufnehmenden Apparate umfassendes Wärmenutzungssystem enthält; b.) einen oberhalb des Kerns des HT-Kleinreaktors befindlichen und das Basissystem nach oben begrenzenden Heißgassammelraum, dem das in an sich bekannter Weise von unten nach oben durch den Reaktorkern geführte Kühlgas zugeleitet wird und an den sich vertikal nach oben eine in das Wärmenutzungssystem übertretende Heißgasführung anschließt; c.) horizontal angeordnete Umwälzgebläse, die unterhalb der wärmeaufnehmenden Apparate seitlich außen an dem zweiten zylindrischen Druckbehälterteil angebracht sind.
Bei der erfindungsgemäßen Anlage sind alle Komponenten des Primärkreislaufs in einem relativ kleinen Containment integriert. Die Ankoppelungsstelle zwischen Basissystem und Wärmenutzungssystem liegt über dem Heißgassammelraum; sie läßt sich leicht den verschiedenen Anwendungszwecken anpassen und weist eine einfache Geometrie auf. Durch die Anordnung des Heißgassammelraums über dem Reaktorkern und die sich direkt anschließende Heißgasführung ergeben sich einfache Strömungsverhältnisse ohne unnötige Umlenkungen Die Einfachheit der Konstruktion ermöglicht eine leichte und einfache Erdbebensicherung.
Durch die Anordnung der Gebläse horizontal und seitlich am zweiten Druckbehälterteil unterhalb der wärmeaufnehmenden Apparate ist eine gute Zugänglichkeit der wärmeaufnehmenden Apparate für Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten gegeben. Da sich die Umwälzgebläse im Wärmenutzungssystem befinden, also oberhalb des Reaktorkerns, stellt sich ein Druckgefälle vom Kaltgasraum zum Reaktorkern ein, und Leckagen können somit nur in Richtung zum Kern verlaufen.
Der Kern des das Basissystem bildenden HT-Kleinreaktors kann aus einer allseitig von einem Graphitreflektor umgebenen Schüttung von Brennelementkugeln bestehen, die sich auf einer metallischen Stützkonstruktion abstützt und an die sich nach unten ein zentrales Kugelabzugsrohr anschließt. Der Graphitreflektor ist seinerseits allseitig von einem thermischen Schild umgeben. Der Seitenreflektor stützt sich über Stützelemente am thermischen Seitenschild ab. Im oberen Bereich des Seitenschildes sind außerdem noch Verdrehsicherungen vorgesehen. In dem Graphitreflektor ist die Meßinstrumentierung zur Überwachung des Leistungsbetriebes untergebracht.
Der gesamte Reaktor zeichnet sich durch hohe Zuverlässigkeit auch bei hohen Temperaturen und durch hohe Verfügbarkeit aus.
Gemäß der Erfindung kann die aus dem Basissystem ausgekoppelte Wärme auf verschiedene Weise genutzt werden, d.h. das mit dem Basis system verbundene Wärmenutzungssystem kann mit verschiedenartigen Komponenten bestückt sein.
So kann das Wärmenutzungssystem aus mehreren Dampferzeugern und den diesen nachgeschalteten Umwälzgebläsen bestehen. Die nuklear gewonnene Warme wird in diesem Falle zur Erzeugung von Prozeßdampf und/oder zur Stromerzeugung verwendet. Infolge der beonderen Anordnung der Gebläse findet in den Dampferzeugern bei einfacher Gasumlenkung Aufwärtsverdampfung statt.
Bei Einsatz des Basis systems zur hydrierenden Vergasung von Braunkohle enthält das Wärmenutzungssystem einen Röhrenspaltofen sowie mehrere dem Röhrenspaltofen nachgeschaltete, parallel durchströmte Dampferzeuger und Umwälzgebläse. Infolge der Anordnung des Röhrenspaltofens im oberen Druckbehälterteil läßt sich der innerhalb der Betriebszeit der Anlage notwendig werdende Katalysatorwechsel ohne größeren Aufwand vornehmen.
Die Auskopplung von Wärme aus dem HT-Kleinreaktor für die Wasserdampfvergasung von Steinkohle kann mittels eines in dem oberen Druckbehälterteil anzuordnenden Wärmetauschers erfolgen, in dem die von dem Kühlgas aufgenommene Wärme an ein in einem Zweischenkreislauf umlaufendes Sekundärgas abgegeben wird. Die Gebläse zur Umwälzung sind dem Wärmetauscher nachgeschaltet und werden parallel durchströmt. Wiederkehrende Prüfungen des Wärmetauschers lassen sich infolge seiner Lage leicht durchführen.
Zur Abschaltung des HT-Kleinreaktors sind vorteilhafterweise zwei diversitäre Abschalteinrichtungen vorgesehen. Das erste Abschaltsystem umfaßt in Bohrungen des Seitenreflektors verfahrbare Absorberstäbe, die aufgrund ihrer freien Beweglichkeit bei der Abschaltung des Kerns eine hohe Zuverlässigkeit gewährleisten. Das zweite Abschaltsystem besteht aus kleinen Absorberkugeln, die unter Einwirkung der Schwerkraft in den Kern eingebracht werden können.
An der Innenwandung des zylindrischen Seitenreflektors können mehrere in die Brennelementschüttung vorspringende Graphitnasen vorgesehen sein, die mit Längsbohrungen ausgestattet sind. Sie dienen der Aufnahme von weiteren Absorberstäben, die eine Verbesserung der Abschaltwirksamkeit bewirken.
Vorteilhafterweise werden die Absorberstäbe von unten in die Bohrungen des Seitenreflektors sowie der Graphitnasen eingefahren. Dadurch wird eine Behinderung der Ankoppelung von Basissystem und Wärmenutzungssystem vermieden.
Bei einem Wärmenutzungssystem zur Erzeugung von Strom und Prozeßdampf kann die in das System eintretende vertikale Heißgasführung so angeordnet sein, daß sie zentral durch das gesamte Wärmenutzungssystem verläuft. Die Dampferzeuger sind in diesem Falle auf einem Teilkreis um die Heißgasführung gruppiert. Durch die seitliche Lage der Umwälzgebläse ist es möglich, daß jedem Dampferzeuger ein Umwälzgebläse zugeordnet wird.
Oberhalb der Dampferzeuger kann ein Heißgasverteiler vorgesehen sein, der das Heißgas zu den Dampferzeugern leitet.
Die zentrale Heißgasführung ist zweckmäßigerweise durch eine Schiebeverbindung an den Heißgasverteiler angeschlossen; eine weitere Schiebeverbindung ist zwischen der Heißgasführung und dem Heißgassammelraum vorgesehen. Die Dampferzeuger sind ebendalls über Schiebeverbindungen an den Heißgasverteiler angeschlossen.
Bei einem Wärmenutzungssystem zur Erzeugung von Spaltgas für die hydrierende Kohlevergasung kann der Röhrenspaltofen außermittig in dem oberen Druckbehalter angeordnet sein, und die ihm nachgeschalteten Dampferzeuger sind parallel neben dem Röhrenspaltofen installiert. Der Röhrenspaltofen wird von unten nach oben von dem heißen Kühlgas durchströmt; er tritt somit an die Stelle der zentralen Heißgasführung bei einer stromerzeugenden Anlage und ist durch eine nur sehr kurze Gasführung unmittelbar mit dem Heißgassammelraum verbunden.
Auch bei diesem Wärmenutzungssystem ist jedem Dampferzeuger ein Gebläse zugeordnet.
Bei allen Wärmenutzungssystemen sind die Leitungen für die Speisewasserzuführung und die Frischdampfabführung am unteren, kalten Ende der Dampferzeuger seitlich aus dem oberen Druckbehälterteil herausgeführt. Bei einer Anlage mit Röhrenspaltofen erfolgt die Zuführung des Einsatzgases sowie die Abführung des Spaltgases ebenfalls durch seitlich aus dem Druckbehälterteil austretende Leitungen, so daß beim Katalysatorwechsel ein guter Zugang zu den Spaltrohren gegeben ist.
Bei einem Wärmenutzungssystem, bei dem in einem Wärmetauscher Wärme für die Wasserdampf-Kohlevergasung ausgekoppelt wird, kann es zweckmäßig sein, in dem System mehrere Hilfskühler vorzusehen, die jeweils einem der Umwälzgebläse vorgeschaltet sind. Sie haben die Aufgabe zu verhindern, daß der Wärmetauscher und der Zwischenkreislauf des Sekundärgases mit Aufgaben der Nachwärmeabfuhr belastet werden. Die Umwälzung des Kühlgases erfolgt auch bei der Nachwärmeabfuhr durch die Gebläse des Primärkreislaufs. Die Hilfskühler können um den Wärmetauscher herum angeordnet sein. Durch eine vor den Umwälzgebläsen angebrachte Umschaltklappe kann bei Nachwärmeabfuhrbetrieb ein Kaltgasbypaß zur Kühlung des Wärmetauschers eingerichtet werden.
Vorteilhafterweise ist der Wärmetauscher als im Querschnitt ringförmiges Heizflächenbündel ausgebildet, oberhalb von welchem ein ringförmiger Eintrittssammler und unterhalb von welchem ein Austrittssammler für das Sekundärgas vorgesehen ista Die Rückführung des aufgeheizten Sekundärgases kann durch ein Rohr erfolgen, das im Zentrum des Heizflächenbündels installiert ist.
Die Zuleitungen zu dem ringförmigen Eintrittssammler und das eben genannte Rückführungsrohr sind zweckmäßigerweise vertikal nach oben aus dem Druckbehälter herausgeführt, da sie für eine seitliche Herausführung zu große Leitungsquerschnitte aufweisen.
Der Austrittssammler kann um das untere Ende des Rückführungsrohres angeordnet sein. Vorteilhaft ist es, ihn gleichzeitig als Heißgasführung zwischen dem Heißgassammelraum des Kernreaktors und dem Wärmetauscher zu verwenden. Das heiße Kühlgas strömt dann außen an den Sammelrohren des Sekundärgases entlang.
Die beiden zylindrischen Behälterteile des Stahldruckbehälters können miteinander verflanscht sein. An den oberen Behälterteil sowie auch an den unteren Behälterteil kann sich je ein gewölbter Deckel anschließen, und zwar ebenfalls mittels einer Flanschverbindung. Alle Trennstellen sind vorteilhafterweise mit Dichtungen und Leckageüberwachungseinrichtungen versehen.
Der untere zylindrische Druckbehälterteil sowie der untere Bereich des oberen Druckbehälterteils sind auf ihrer Innen- Seite direkt mit kaltem Kühlgas beaufschlagt, das von den Umwälzgebläsen zu dem HT-Kleinreaktor zurückströmt. Eine thermische Innenisolierung der betreffenden Bauteile kann daher entfallen. Die Kühlung des unteren Druckbehälterteils kann durch einen Kaltgasstrom erfolgen, der durch einen Ringspalt zwischen diesem Behälterteil und dem thermischen Seitenschild geführt ist.
Das Kühlgas ist in dem Stahldruckbehälter sicher eingeschlossen. Um auch eine ausreichende Strahlenabschirmung des HT-Kleinreaktors und des Primärkreislaufs zu gewährleisten, kann der Stahldruckbehälter von einer Sicherheitshülle aus Stahlbeton umgeben sein, die als biologischer Schild wirkt und Schutz gegen Einwirkungen von außen bietet. Die Sicherheitshülle kann als ein- oder mehrschaliger Betonzylinder ausgeführt sein.
Die erfindungsgemäße Anlage kann, wenn als Stromerzeugungsanlage konzipiert, für Leistungen von 50 bis 100 MWel ausgelegt sein. Es lassen sich auch mehrere derartige Anlagen zu einem Verbund zusammenkoppeln, so daß sich Leistungen von 300 bis 400 MWel erreichen lassen.
In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele einer Anlage gemäß der Erfindung schematisch dargestellt, wobei das Basissystem,das ja erfindungsgemäß bei allen Anlagen dieser Art den gleichen Aufbau aufweist, nur einmal wiedergegeben ist, und zwar in Verbindung mit einer Stromerzeugungsanlage Die Figuren zeigen im einzelnen: Figur 1 das Basis- und Wärmenutzungssystem einer Anlage, die Dampf zur Stromerzeugung liefert, im Längsschnitt, Figur 2 ein Wärmenutzungssystem zur Erzeugung von Spaltgas, Figur 3 ein weiteres Wärmenutzungssystem zur Aufheizung eines Sekundärgases in einem Wärmetauscher.
Die Figur 1 läßt einen Stahldruckbehälter 1 erkennen, der in einer (nicht dargestellten) Sicherheitshülle aus Stahlbeton angeordnet ist. Der Stahldruckbehälter 1 besteht aus einem unteren zylindrischen Teil 2, einem oberen zylindrischen Teil 3 und aus zwei gewölbten Deckelteilen 4 und 5. Alle Behält terteile sind durch Flansche 6 miteinander verbunden, wobei die Trennstellen abgedichtet sind und auf Leckage überwacht werden. Die Deckelteile 4 und 5 sind als Korbbogenböden ausgeführt Der untere Flansch 6a am Druckbehälterteil 2 ist so ausgebildet, daß er die Tragkonstruktion 16 (weiter unten beschrieben) sowie eine äußere Abstützung 7 aufnehmen kann.
Der untere Druckbehälterteil 2 dient zur Aufnahme eines Basis systems 8, während in dem oberen Druckbehälterteil 3 ein Wärmenutzungssystem 9 untergebracht ist. Das Basissystem 3 wird hier - wie auch bei den weiteren Figuren - von einem HT-Kleinreaktor 10 gebildet; das Wärmenutzungssystem 9 enthält als wärmeaufnehmende Apparate vier Dampferzeuger II und ebensoviele Umwälzgebläse 12, wie weiter unten näher beschrieben wird.
Der HT-Kleinreaktor 10 weist einen Kern 13 auf, der aus einer Brennelementschüttung 14 und einem die Schüttung 14 allseitig umgebenden Graphitreflektor 15 besteht. Der einen Deckenreflektor 15a, einen Seitenreflektor 15b und einen Bodenreflektor 15c umfassende Graphitreflektor 15 ruht auf einer metallischen Tragkonstruktion 16, durch die ein zentrales Abzugsrohr 17 für die kugelförmigen Brennelemente geführt ist.
Um den Graphitreflektor 15 ist ein aus Decken-, Seiten- und Bodenteil bestehender thermischer Schild 18 aus Metall angeordnet. Der Seitenreflektor 15b ist mittels Stützelementen 19 am Seitenteil 18a des thermischen Schildes 18 abgestützt. Im oberen Bereich vorgesehene Verdrehsicherungen (nicht gezeigt) verhindern azimutale Verschiebungen der beiden Bauteile gegeneinander. An der Innenwand des Seitenreflektors 15b sind vier um 900 versetzte Graphitnasen 20 angebracht, die in die Brennelementschüttung 14 hineinragen. Zwischen dem thermischen Seitenschild 18a und dem unteren Druckbehälterteil 2 ist ein Ringspalt 24 vorgesehen.
Der Bodenteil des thermischen Schildes 18 ruht auf Biegestützen 21, die auf der Tragkonstruktion 16 aufgestellt sind.
Zwischen diesem Bodenteil und der Tragkonstruktion 16-befindet sich ein Kaltgassammelraum 22, der durch eine Vielzahl von Bohrungen in dem Bodenteil sowie in dem Bodenreflektor 15c mit der Brennelementschüttung 14 in Verbindung steht.
Zwischen dem ebenfalls mit Gasdurchlässen versehenen Deckenreflektor 15a und dem Deckenteil des thermischen Schildes 18 befindet sich ein Heißgassammelraum 23, der den obersten Teil des Basissystems 8 bildet. Als Kühlgas wird Helium verwendet, das von unten nach oben durch den Reaktorkern 13 geführt wird.
Infolge der Aufwärtsströmung kann die Weiterführung des Kühlgases in das Wärmenutzungssystem 9 hinein sehr einfach gestaltet sein.
Für die Abschaltung des HT-Kleinreaktors 10 sind zwei diversitäre Abschalteinrichtungen vorgesehen. Die erste Abschalteinrichtung, die für die Schnellabschaltung bei Störfällen als auch für die Langzeitabschaltung eingesetzt wird, besteht aus einer Anzahl von Absorberstäben 25, die von unten in Bohrungen 26 des Seitenreflektors 15b sowie in Bohrungen 27 in den Graphitnasen 20 in den Reaktorkern 13 eingefahren werden.
Als zweite Abschalteinrichtung dienen kleine Absorberkugeln, die unter Einwirkung der Schwerkraft in die Brennelementschüttung 14 eingebracht werden können. Sie übernehmen die Langzeitabschaltung bei unterstelltem Ausfall der ersten Abschalteinrichtung. Die Zugabevorrichtungen für die kleinen Absorberkugeln sind innerhalb des oberen Druckbehälterteils 3 in Höhe der Dampferzeuger 11 untergebracht (nicht dargestellt).
Wie bereits erwähnt, wird das Wärmenutzungssystem 9 von vier Dampferzeugern 11 gebildet. Eine vertikale Heißgasführung 28 verläuft zentral durch das ganze Wärmenutzungssystem 9, und um diese Heißgasführung herum sind die vier Dampferzeuger 11 um 90° versetzt angeordnet. Die zentrale Heißgasführung 28 ist innen isoliert und mittels einer Schiebeverbindung 29 an den Heißgassammelraum 23 angeschlossen. Über eine zweite Schiebeverbindung 30 ist die Heißgasführung 28 mit einem HeiS-gasverteiler 31 verbunden, der oberhalb der Dampferzeuger 11 angeordnet ist und das Heißgas auf die Dampferzeuger 11 verteilt. Jeder der Dampferzeuger 11 ist mittels einer Schiebeverbindung 32 an den Heißgasverteiler 31 angeschlossen.
Am unteren kalten Ende der Dampferzeuger 11 schließen die Saugleitungen 33 der Umwälzgebläse 12 an. Jedem Dampferzeuger 11 ist ein Gebläse 12 zugeordnet. Die Umwälzgebläse 12 sind in horizontaler Lage unterhalb der Dampferzeuger 11 seitlich außen an dem oberen Druckbehälterteil 3 angebracht.
Hierdurch liegt der Druck im Kaltgasraum höher als im Reaktorkern 13, so daß Leckagen durch den Graphitreflektor 15 nur in Richtung zu dem Kern 13 verlaufen können. Die Gebläse 12 fördern unmittelbar in den Stahldruckbehälter 1.
Die Zuführungsleitungen 34 für das Speisewasser wie auch die Abführungsleitungen 35 für den Frischdampf treten seitlich am unteren Ende der Dampferzeuger 11 in diese ein. Durch die Strömungsrichtung des Kühlgases von oben nach unten durch die Dampferzeuger 11 findet in den Heizflächenbündeln Aufwärtsverdampfung statt. Der erzeugte Dampf wird in einem innerhalb des Kernrohres jedes Dampferzeugers 11 angeordneten unbeheizten Geradrohrbündel wieder nach unten geführt.
An das Geradrohrbündel schließt sich jeweils eine Dehnzone an, in der die Dampfrohre in einer Schleife verlegt sind. Um Wärmeverluste vom Frischdampf an das Kaltgas zu vermeiden, ist dieser Kompensationsbereich von einem innenisolierten Blechmantel 37 umgeben, der das Kaltgas nahezu fernhält.
Die Lastabtragung der Dampferzeuger 11 erfolgt einmal über ihren Mantel und zum anderen über eine Tragringkonstruktion 36, die im Bereich der Leitungen 34 und 35 an dem oberen Druckbehälterteil 3 angebracht ist.
Im folgenden wird der Kreislauf des Kühlgases durch Basissystem 8 und Wärmenutzungssystem 9 zusammenhängend beschrieben: Das Helium strömt mit einem Betriebsdruck von 70 bar aufwärts durch die Brennelementschüttung 14, wobei es sich auf 700 OC erhitzt. Nach Durchtritt durch den Deckenreflektor 15a gelangt es in den Heißgassammelraum 23, von dem aus es in die Heißgasführung 28 eintritt. In dieser strömt es nach oben und wird nach Umlenkung in dem Heißgasverteiler 31 gleichmäßig auf die vier Dampferzeuger 11 verteilt. In den Dampferzeugern 11 wird das Helium auf 250C abgekühlt und strömt weiter durch die Gebläsesaugleitungen 33 zu den Umwälzgebläsen 12. Das wieder auf 70 bar verdichtete kalte Helium tritt sodann in den Ring spalt 24 zwischen dem thermischen Seitenschild 18a und dem Druckbehälterteil 2 ein, wobei es beim Abwärtsströmen diese beiden Bauteile kühlt. Es gelangt in den Kaltgassammelraum 22 und tritt durch den Bodenschild und den Bodenreflektor 15c wieder in die Brennelementschüttung 14 eih, Um bei der aufwärts durchströmten Schüttung 14 das Abheben der kugelförmigen Brennelemente zu vermeiden, ist die Massenstromdichte des Heliums auf einen bestimmten Wert begrenzt.
Das Speisewasser tritt mit 190 OC in die Dampferzeuger ein; der erzeugte Frischdampf verläßt die Dampferzeuger mit einer Temperatur von 530 °C. Der Frischdampf wird zur weiteren Verwertung einer Dampfturbinenanlage zugeführt.
Die Figur 2 zeigt ein anderes Wärmenutzungssystem 38, das anstelle des eben beschriebenen Wärmenutzungssystems 9 an das Basissystem 8 angekoppelt werden kann. änderungen sind nur im Bereich der Heißgasführung und bei den Abmessungen des Stahldruckbehälters 1 erforderlich. So weist der obere zylindri sche Druckbehälterteil 3a eine größere Längsausdehnung auf, besitzt aber den gleichen Durchmesser wie der Druckbehälterteil 3. Dasselbe gilt auch für den in der Figur 3 gezeigten oberen Druckbehälterteil 3b.
Bei dem in dem Druckbehälterteil 3a untergebrachten Wärmenutzungssystem 38 werden die wärmeaufnehmenden Apparate von einem Röhrenspaltofen 39 und drei Dampferzeugern 40 gebildet, die dem Röhrenspaltofen 39 nachgeschaltet sind und parallel von dem aus dem Röhrenspaltofen 39 austretenden Kühlgas durch strömt werden. Der Röhrenspaltofen 39 ist außermittig in dem Druckbehälterteil 3a installiert, und die drei Dampferzeuger 40 sind in dem verbleibenden Raum parallel zu dem Röhrenspaltofen 39 angeordnet. Im unteren Bereich des Druckbehälterteils 3a sind drei Umwälzgebläse 41 vorgesehen, die in horizontaler Lage seitlich an dem Druckbehälterteil 3a angebracht sind. Jedem Dampferzeuger ist also ein Gebläse zugeordnet, das jeweils durch eine Saugleitung 42 mit dem betreffenden Dampferzeuger verbunden ist.
An den Heißgassammelraum 23 des Basissystems 8 schließt sich eine kurze Heißgasführung 43 an, die mit dem unteren Ende des Röhrenspaltofens 39 durch eine Schiebeverbindung 44 verbunden ist. Der Röhrenspaltofen 39 wird von unten nach oben von dem Heißgas durchströmt, das im Reaktorkern 13 auf eine Temperatur von 850 bis 950 OC aufgeheizt wurde. Nachdem das Helium den größten Teil seiner Wärmeenergie an das durch die Spaltrohre strömende Einsatzgas abgegeben hat, wird es durch drei Gasleitungen 45 den Dampferzeugern 40 zugeführt und weiter abgekühlt. Hierauf gelangt es durch die Saugleitungen 42 zu den drei Umwälzgebläsen 41, in denen es verdichtet wird.
Darauf tritt das kalte Helium in den Ringspalt 24 ein. Die weitere Gasführung entspricht derjenigen der Figur 1.
Die Dampferzeuger 40 und die Umwälzgebläse 41 sind praktisch baugleich dem Dampferzeugern 11 und Gebläse 12 der Figur 1.
Auch bei dem Wärmenutzungssystem 38 sind die Zuführungsleitungen 46 für das Speisewasser und die Abführungsleitungen 47 für den Frischdampf seitlich am unteren Ende der Dampferzeuger 40 angebracht.
Die Zuführung des Einsatzgases und Abführung des Spaltgases erfolgt durch Leitungen 48, die seitlich oben aus dem Druckbehälterteil 3a austreten. Dadurch kann nach Abnahme des Dekkelteiles 4 ohne großen Aufwand ein Katalysatorwechsel vorgenommen werden. Das Heizflächenbündel des Röhrenspaltofens 39 besteht aus geraden Spaltrohren, die in einer Tragplatte 49 befestigt sind, und in den Spaltrohren angeordneten Rückführungsrohren. Im Bereich der Tragplatte 49 erfolgt ein rekuperativer Wärmeaustausch zwischen dem Spaltgas und dem Einsatzgas; gleichzeitig wird die Tragplatte 49 durch das Einsatzgas gekühlt. Das gewonnene Spaltgas wird einer Anlage zur hydrierenden Vergasung von Braunkohle zugeleitet.
Die Figur 3 zeigt ein weiteres Wärmenutzungssystem 50, das sich an das Basissystem 8 ankoppeln läßt. Die gesamte im Reaktorkern 13 erzeugte Wärme wird hier über einen Wärmetauscher 51 auf ein in einem Zwischenkreislauf umlaufendes sekundäres Helium übertragen. Mit dem Sekundärhelium wird ein sekundärer Dampf beheizt, der in einer weiteren Anlage zur Wasserdampfvergasung von Steinkohle verwertet wird.
Das Kühlgas oder Primärhelium tritt mit 950 OC unten in den Wärmetauscher 51 ein, der im Gegenstrom betrieben wird. Zur Umwälzung des Kühl gases sind drei horizontal angeordnete Gebläse 52 seitlich unten an dem Druckbehälterteil 3b angebracht, die parallel von dem abgekühlten Primärhelium angeströmt werden und das verdichtete Gas in den Stahldruckbehälter 1 fördern. Der weitere Weg des Primärheliums ist der gleiche wie in der Figur 1 beschrieben.
Der Wärmetauscher 51 besitzt ein im Querschnitt ringförmiges Heizflächenbündel, oberhalb von welchem ein ringförmiger Eintrittssammler 53 für das Sekundärhelium angeordnet ist. An das untere Ende des Heizflächenbündels schließt sich ein Austrittssammler 54 an, dessen Sammelrohre 56 in Kompensationsschleifen zu einem Rohr 55 geführt sind, das in dem freien zentralen Raum des Heizflächenbündels vertikal nach oben verlegt ist. Dieses Rohr dient der Rückführung des heißen Sekundärheliums. Wegen seines großen Leitungsquerschnittes tritt dieses Rohr nicht seitlich aus dem Druckbehälterteil 3b aus, sondern wird oben aus dem Deckelteil 4 herausgeführt. Die Zuleitungen 57 zu dem ringförmigen Eintrittssammler 53 sind ebenfalls vertikal nach oben durch den Deckelteil 4 verlegt.
Der Austrittssammler 54 ist um das untere Ende des Rückführungsrohres 55 angeordnet. Er dient gleichzeitig als Heißgasführung für das Primärhelium, indem er den Heißgassammelraum 23 mit dem unteren Ende des Wärmetauschers 51 verbindet. Das heiße Kühlgas strömt in dem Austrittssammler 54 an den Sammelrohren 56 entlang.
Um den Wärmetauscher 1 und den Zwischenkreislauf nicht mit Aufgaben der Nachwärmeabfuhr zu belasten, sind um den Wärmetauscher 51 herum drei Hilfskühler 58 installiert, die jeweils einem der Umwälzgebläse 52 zugeordnet sind. Die Kühlwasserzu-und -ableitung erfolgt durch Rohre 59, die jeweils unten seitlich in die Hilfskühler 58 eintreten. Die Umwälzung des Primärheliums erfolgt auch bei Nachwärmeabfuhrbetrieb über die Umwälzgebläse 52.
Die Umwälzgebläse 52 sind mit einer Umschaltklappe 60 ausgerüstet. Bei Nachwärmeabfuhrbetrieb kann zur Kühlung des Wärmetauschers 51 durch entsprechende Klappeneinstellung und mehrere Leitungen 61 ein Kaltgasbypaß in dem Bereich des Rückführungsrohres 55 eingerichtet werden.
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Claims

Patentansprüche 1. Anlage zur nuklearen Erzeugung von Wärme und zu deren Weiterverwendung in wärmeaufnehmenden Apparaten mit einem Primärkreislauf, in dem ein Kühlgas mittels Umwälzgebläsen umgewälzt wird, gekennzeichnet durch: a. einen mehrteiligen versagenssicheren Stahldruckbehälter (1), der in einem ersten zylindrischen Behälterteil (2) ein von einem HT-Kleinreaktor (10) gebildetes Basissystem (8) und in einem zweiten, sich nach oben anschließenden zylindrischen Behälterteil (3; 3a; 3b) ein die wärmeaufnehmenden Apparate (11; 39; 40; 51) umfassendes Wärmenutzungssy stem (9; 38; 50) enthält; b. einen oberhalb des Kerns (13) des HT-Kleinreaktore (10) befindlichen und das Basissystem (8) nach oben begrenzenden Heißgassammelraum (23), dem das in an sich bekannter Weise von unten nach oben durch den Reaktorkern (13) geführte Kühlgas zugeleitet wird und an den sich vertikal nach oben eine in das Wärmenutzungssystem (9; 38; 50) übertretende Heißgas führung (28; 43; 54) anschließt; c. horizontal angeordnete Umwälzgebläse (12; 41; 52) die unterhalb der wärmeaufnehmenden Apparate (11; 39; 40; 51) seitlich außen an dem zweiten zylindrischen Druckbehälterteil (3; 3a; 3b) angebracht sind.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (13) des das Basissystem (8) bildenden HT-Kleinreaktors (10) aus einer allseitig von einem Graphitreflektor (15) umgebenen Schüttung (14) von Brennelementkugeln mit einem zentralen Kugelabzugsrohr (17) besteht, der sich auf einer metallischen Tragkonstruktion (16) abstützt und allseitig von einem thermischen Schild (18) umgeben ist.
3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmenutzungssystem (9) aus mehreren Dampferzeugern (11) und den Dampferzeugern (11) nachgeschalteten Umwälzgebläsen (12) besteht und daß der gewonnene Dampf als Prozeßdampf verwertet und/oder zur Stromerzeugung ausgenutzt wird.
4. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmenutzungssystem (38) einen Röhrenspaltofen (39) sowie mehrere dem Röhrenspaltofen (39) nachgeschaltete, parallel durchströmte Dampferzeuger (40) und Umwälzgebläse (41) umfaßt und daß das gewonnene Spaltgas als Einsatzgas bei der hydrierenden Kohlevergasung verwendet wird.
5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmenutzungssystem (50) aus einem Wärmetauscher (51) besteht, in dem das Kühlgas seine Wärme an ein in einem Zwischenkreislauf umlaufendes Sekundärgas abgibt, sowie aus mehreren den Wärmetauscher (51) nachgeschalteten, parallel durchströmten Umwälzgebläsen (52) und daß die Wärme des aufgeheizten Sekundärgases bei der Wasserdampf-Kohlevergasung verwertet wird.
6. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abschaltung des HT-Kleinreaktors (10) zwei diversitäre Abschalteinrichtungen vorgesehen sind, von denen die erste aus in Bohrungen (26) des Seitenreflektors (15b) verfahrbaren Absorberstäben (25) und die zweite aus kleinen Absorberkugeln besteht, die unter Einwirkung der Schwerkraft in den Kern (13) eingebracht werden können.
7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Seitenreflektor (15b) mehrere in die Brennelementschüttung (14) vorspringende Graphitnasen (20) mit Bohrungen aufweist, in denen weitere Absorberstäbe (25) verfahrbar sind.
8. Anlage nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeich net, daß die Absorberstäbe (25) von unten in die Bohruhgen (26) des Seitenreflektors (15b) bzw der Graphitnasen (20) einfahrbar sind.
9. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in das Wärmenutzungssystem (9) zur Erzeugung von Strom und Prozeßdampf eintretende vertikale Heißgasführung (28) zentral durch das ganze Wärmenutzungssystem (9) verläuft und daß um die Heißgasführung (28) herum die Dampferzeuger (11) gruppiert sind.
10. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Dampferzeuger (11) ein Umwälzgebläse (12) zugeordnet ist.
11. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Dampferzeuger (11) ein Heißgasverteiler (31) für die Dampferzeuger (11) vorgesehen ist und daß die zentrale Heißgasführung (28) jeweils durch eine Schiebeverbindung (30 bzw. 29) an dem Heißgasverteiler (31) und an dem Heißgassammelraum (23) des HT-Kleinreaktors (10) angeschlossen ist.
12. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Röhrenspaltofen (39) außermittig in dem Druckbehälterteil (3a) des Wärmenutzungssystems (38) angeordnet und über die Heißgasführung (43) direkt mit dem Heißgassammelraum (23) des HT-Kleinreaktors (10) verbunden ist und daß die dem Röhrenspaltofen (39) nachgeschalteten Dampferzeuger (40) parallel neben dem Röhrenspaltofen (39) installiert sind.
13. Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Dampferzeuger (40) ein Gebläse (41) zugeordnet ist.
14. Anlage nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsleitungen (34; 46) für Speisewasser und die Abführungsleitungen (35; 47) für Frischdampf sowie die Leitungen (48) für Einsatz- und Spaltgas seitlich aus dem Druckbehälterteil (3; 3a) des betreffenden Wärmenutzungssystems (9; 38) austreten.
15. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß um den Wärmetauscher (51) herum mehrere Hilfskühler (58) installiert sind, die jeweils einem der Umwälzgebläse (52) vorgeschaltet sind.
16. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (51) ein im Querschnitt ringförmiges Heizflächenbündel aufweist, oberhalb von dem ein ringförmigUt Eintrittssammler (53) und unterhalb von dem ein Austrittssammler (54) für das Sekundärgas vorgesehen ist, und daß im Zentrum des Heizflächenbündels ein Rohr (55) zur Rückführung des aufgeheizten Sekundärgases angeordnet ist.
17. Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen (57) zu dem ringförmigen Eintrittssammler (53) und das Rückführungsrohr (55) vertikal nach oben aus dem Stahldruckbehälter (1) herausgeführt sind.
18. Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittssammler (54) um das untere Ende des Rückführungsrohres (55) angeordnet ist und gleichzeitig als Heißgas führung zwischen dem Heißgassammelraum (23) des HT-Kleinh reaktors (10) und dem Wärmetauscher (51) dient, wobei das heiße Kühlgas an den Sammelrohren (56) des SekundärgaSes entlangströmt.
19. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Druckbehälterteile (2; 3; 3a; 3b) miteinander sowie jeweils mit einem gewölbten Deckelteil (4 bzw.

5) verflanscht sind und daß die Trennstellen mit Dichtungen und Leckageüberwachungseinrichtungen versehen wird.
20. Anlage nach den Ansprüchen 1 und 19, dadurch gekennzeiEhnet, daß der untere zylindrische Druckbehälterteil (2) ohne thermische Innenisolierung ausgeführt und innen direkt mit kaltem Kühlgas beaufschlagt ist.
21. Anlage nach den Ansprüchen 2 und 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung des Druckbehälterteils (2) mittels eines Kaltgasstromes erfolgt, der durch einen Ringspalt (24) zwischen diesem Behälterteil (2) und dem thermischen Seitenschild (18a) geführt ist.
22 Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Stahldruckbehälter (1) von einer Sicherheitshülle in Form eines Stahlbetonzylinders umgeben ist.
23. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung der Anlage zwischen 50 bis 100 MWe1 beträgt.
24. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Anlagen zu einem Verbund zusammengekoppelt sind.