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Kernkraftwerk mit einem Kugelhaufenreaktor
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Die Erfindung betrifft ein Kernkraftwerk mit einem Kugelhaufenreaktor,
dessen allseitig von einem Decken-, Seiten- und Bodenreflektor umgebener Kern bei
Normalbetrieb von oben nach unten von einem Kühlgas durchsetzt wird, mit mehreren
Hauptkreisläufen, die je einen in einem vertikalen Schacht installierten Hauptwärmetauscher
und ein Hauptgebläse sowie einen Heißgas-und einen Kaltgaskanal zur Verbindung dieser
Komponenten mit dem Reaktorkern enthalten, und mit mehreren der Nachwärmeabfuhr
dienenden Hilfskreisläufen mit Hilfswärmetauschern, Hilfsgebläsen und Absperrorganen,
wobei jeder Hilfskreislauf durch zwei Gaskanäle an den Reaktorkern angeschlossen
ist.
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Bei Kernkraftwerken mit einem Kugelhaufenreaktor, d. h. mit einem
Kernreaktor, dessen Kern aus einer Schüttung kugelförmiger Brennelemente besteht,
strömt das in den Kern eintretende Kühlgas im Normalbetrieb durch den Deckenreflektor
in die Brennelementschüttung ein, durchströmt die Brennelementschüttung in senkrechter
Richtung und verläßt den Kern durch Bohrungen im Bodenreflektor. Über die Heißgaskanäle
wird das Kühlgas zu den um den Kernreaktor herum angeordneten Hauptwärmetauschern
(Dampferzeugern) geführt, anschließend in den Hauptgebläsen verdichtet und über
die Kaltgaskanäle zu dem Kernreaktor zurückgeleitet.
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Bei einem bekannten Kernkraftwerk mit Kugelhaufenreaktor, dem THTR-300,
sind zur Abfuhr der Nachwärme keine Hilfskühleinrichtungen wie Hilfswärmetauscher
und Hilfsgebläse erforderlich.
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Bei diesem Kernreaktor sind die Hauptwärmetauscher und Hauptgebläse
sowie die sekundärseitigen Stränge und Komponeten derselben derart ausgebildet,
daß die gesamte Nachwärme über die primärseitigen Betriebssysteme der Hauptwärmetauscher
abgeführt wird. Der Strömungsverlauf des Kühlgases durch den Reaktorkern und die
Hauptwärmetauscher im Notkühlbetrieb gleicht in diesem Falle dem Strömungsverlauf
im Normalbetrieb.
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Bei Kernkraftwerken mit Kugelhaufenreaktoren größerer Leistung ist
es Stand der Technik, zur Abfuhr der Nachwärme Hilfswärmetauscher und Hilfsgebläse
vorzusehen, die durch zwei Gasführungen mit dem Reaktorkern verbunden sind. Während
des Normalbetriebs können die Hilfswärmetauscher abgesperrt sein, beispielsweise
durch unter den Hilfsgebläsen angebrachte Absperrklappen, die einen geringen Rückstrom
von kaltem Gas über die Hilfswärmetauscher zulassen. Heißes Gas kann daher durch
freie Konvektion nicht in die Hilfswärmetauscher gelangen.
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Ein derartiges Kernkraftwerk kann so ausgebildet sein, daß jeder Hilfswärmetauscher
mittels einer Absaugleitung am Seitenreflektor in dessen den Kugelhaufen umgebenden
Bereich angeschlossen ist und durch eine Kühlgas-Rückführung mit der Kaltgaskammer
des Reaktors in Verbindung steht (DE-OS 30 25 336). Die Absaugleitungen befinden
sich etwa in mittlerer Höhe des Seitenreflektors, der für jede Leitung eine Anzahl
von Durchströmöffnungen aufweist. Die Hilfswärmetauscher und Hilfsgebläse liegen
auf einem höheren Niveau als der Reaktorkern. Als Absperrklappen werden pendelnd
gelagerte Rückschlagklappen verwendet. Mit dieser bekannten Nachwärmeabfuhreinrichtung
soll die Aufgabe gelöst werden, das Auskoppeln der Nachwärme bei niedrigen Kühlgastemperaturen
zu
ermöglichen. Im Notkühlbetrieb, bei dem das Kühlgas entgegengesetzt wie beim Normalbetrieb
durch die Hauptwärmetauscher strömt, wird der Hauptgasstrom von den Hilfsgebläsen
aus dem mittleren Bereich des Reaktorkerns abgesaugt, in dem das Kühlgas die bei
Normalbetrieb erzeugte maximale Gastemperatur noch nicht erreicht hat. Die Nachwärmeabfuhreinrichtung
ist somit für eine geringere Kühlleistung auslegbar. Um bei Ausfall der Hilfsgebläse
die Nachwärmeabfuhr mittels Naturkonvektion zu ermöglichen, ist ein Teil der Kühlgas-Rückführleitung
jedes Hilfswärmetauschers als Falleitung ausgebildet, durch die sich abkühlendes
Kühlgas unter Einwirkung der Schwerkraft zum Reaktorkern zurückströmt. Es besteht
hier allerdings die Gefahr, daß aus dem unteren Bereich des Reaktorkerns nicht genügend
Wärme abgeführt wird, da er nur von einem kleineren Teilstrom des Kühlgases durchsetzt
wird.
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Bei einem anderen Kernkraftwerk mit Kugelhaufenreaktor erfolgt die
Nachwärmeabfuhr zunächst über die Hauptwärmetauscher, die je mit einem Hauptgebläse
und einem Nachwärmeabfuhrgebläse bestockt sind, das bei Ausfall des Hauptgebläses
die ZwangsfOrderung des Kühlgases aufrechterhält (DE-OS 26 23 978). Fallen alle
Gebläse aus, so wird die Nachzerfallswärme durch Naturkonvektion über Hilfswärmetauscher
abgeführt, die an die Heißgas-und Kaltgaskanäle der Hauptwärmetauscher angeschlossen
sind.
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Voraussetzung ist jedoch hierzu, daß das Kühlgas unter Druck steht;
anderenfalls findet eine nennenswerte Konvektion nicht mehr statt. In letzterem
Fall trifft die gesamte Wärmestrahlung auf den Deckenreflektor, bei dem es zu Zerstörungen
oder Beschädigungen der Aufhängungen der Graphitblöcke kommen könnte.
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Um dem vorzubeugen, ist der Deckenreflektor zugleich als Wärmetauscher
ausgebildet und über Rohrleitungen mit einer außerhalb des Reaktorbehälters befindlichen
Wärmesenke verbunden.
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Das Fühlmittel dieses Kreislaufs wird entweder ständig in dem
Deckenreflektor
belassen oder erst im Bedarfsfall eingegeben.
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Ferner ist ein Kernkraftwerk mit Kugelhaufenreaktor bekannt, bei dem
jeder Hilfswärmetauscher durch eine in seinen oberen Bereich einmündende horizontale
Gas führung an den oberhalb der Kugelschüttung befindlichen Teil des Seitenreflektors
angeschlossen ist, der an den Anschlußstellen jeweils mehre Schlitze aufweist (DE-OS
26 40 786). Jeder Hilfswärmetauscher ist parallel zu einem Hauptwärmetauscher angeordnet
und durch eine aus seinem unteren Bereich austretende Gasführung mit dem Heißgaskanal
dieses Hauptwärmetauschers verbunden. Die horizontalen Gasführungen sind bei Normalbetrieb
abgesperrt. Bei Notkühlbetrieb wird die Nachwärme durch Naturkonvektion des Kühlgases
durch die dann freigegebenen horizontalen Gasführungen und die Hilfswärmetauscher
abgeführt. Hilfsgebläse sind nicht erforderlich. Die Nachwärmeabfuhreinrichtung
ist jedoch nicht primärseitig von den Hauptkreisläufen entkoppelt, so daß beispielsweise
bei Beschädigungen eines Heißgaskanals die Nachwärmeabfuhr beeinträchtigt werden
kann.
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Zum Stand der Technik gehört ferner noch ein Hochtemperaturreaktor
mit mehreren Hauptkreisläufen, die jweils zwei Dampferzeuger-Gebläse-Aggregate sowie
einen Heißgas- und einen Kaltgaskanal umfassen (DE-OS 23 21 179). Die beiden Aggregate
jedes Kreislaufs sind übereinander in einem vertikalen Schacht angeordnet, und zwar
im wesentlichen symmetrisch beiderseits des Heißgaskanals, der etwa in der Mitte
der Höhe des betreffenden vertikalen Schachts mündet. Die Gebläse der beiden Aggregate
sind jeweils am unteren und am oberen Ende des Schachts angebracht.
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Von dem genannten Stand der Technik wird bei der Erfindung ausgegangen,
wobei ihr die Aufgabe zugrunde liegt, bei einem Kernkraftwerk der eingangs geschilderten
Art mit unter Druck stehendem Reaktor die Nachwärmeabfuhr im Notkühlfall unabhängig
von Haupt- und Hilfsgebläsen sicherzustellen und wesentliche Komponenten vor unzulässigen
thermischen Belastungen zu bewahren.
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Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß
jeder Hilfskreislauf zwei Hilfswärmetauscher mit je einem Hilfsgebläse umfaßt, die
in an sich bekannter Weise in einem vertikalen Schacht übereinander angeordnet sind,
wobei das eine Hilfsgebläse oberhalb des oberen Hilfswärmetauschers und das andere
Hilfsgebläse unterhalb des unteren Hilfswärmetauschers installiert ist, daß die
oberen Hilfswärmetauscher auf einem höheren Niveau liegen als der Reaktorkern und
jeweils durch eine vertikale Gasführung, in die der erste, an den Heißgasbereich
des Reaktors anschließende Gaskanal eintritt, mit den unteren Hilfswärmetauschern
verbunden sind, daß der zweite Gaskanal jedes Hilfskreislaufs an den Kaltgas führenden
Teil des Reaktors angeschlossen ist und daß jeder Hilfskreislauf einen zusätzlichen,
absperrbaren Gaskanal aufweist, der das obere Ende des oben liegenden Hilfswärmetauschers
mit dem Kaltgasbereich des Reaktors verbindet.
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Bei Normalbetrieb sind die zusätzlichen, absperrbaren Gaskanäle weitgehend
durch Absperrorgane geschlossen; das ist auch im Notkühlbetrieb der Fall bei funktionierenden
Hilfsgebläsen, die eine Zwangsförderung des Kühlgases durch die Hilfswärmetauscher
aufrechterhalten. Das Kühlgas strömt hierbei von oben nach unten durch die Kugelschüttung
- also wie bei Normalbetrieb - und durch die an den Heißgasbereich des Reaktors
angeschlossenen Gaskanäle in die vertikalen Gasführungen. In diesen wird je ein
Teilstrom den unteren und den oberen Hilfswärmetauschern zugeleitet.
Nach
ihrer Abkühlung werden die beiden Gasströme in den unteren bzw. oberen Hilfsgebläsen
verdichtet, strömen durch die vertikalen Schächte nach oben bzw. unten und treten
vereinigt in die zweiten Gaskanäle ein, in denen das Kühlgas zur Reaktorkaverne
zurückgeleitet wird.
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Bei Ausfall aller Hilfsgebläse werden die Absperrorgane in den absperrbaren
Gaskanälen geöffnet, und die Nachwärmeabfuhr erfolgt durch freie Konvektion des
Kühlgases über die oberen Hilfswärmetauscher, wobei in dem Reaktorkern Strömungsumkehr
stattfindet. Das oben aus dem Reaktorkern austretende heiße Gas wird also den oberen
Hilfswärmetauschern direkt zugeleitet, d.h.
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es strömt durch gesonderte Gaskanäle. Dabei können die oberen Hilfsgebläse
unter Umständen unzulässigen thermischen Belastungen ausgesetzt sein, so daß sie
(nach Behebung der Störung, die zu ihrem Ausfall geführt hat) nicht mehr in Betrieb
genommen werden können. Die unteren Hilfsgebläse verbleiben jedoch im Kaltgasstrom,
sind somit vor zu großen thermischen Beanspruchungen geschützt und können nach ihrer
Instandsetzung bzw. nach Beseitigung der Ausfallursache jederzeit wieder gestartet
werden.
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Infolge der günstigen Anordnung der Hilfsgebläse oberhalb und unterhalb
der Hilfswärmetauscher sind die Hilfsgebläse für Wartungen und Reparaturarbeiten
leicht zugänglich, und auch das Auswechseln zu stark beschädigter Teile läßt sich
einfach vornehmen.
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Nachdem das Kühlgas die oberen Hilfswärmetauscher durchströmt und
sich abgekühlt hat, tritt es in die ersten, an den Heißgasbereich des Reaktors angeschlossenen
Gaskanäle ein und gelangt in diesen zurück zum Reaktorkern. Dieser Kühlgasstrom
stellt sich aufgrund der vorhandenen Temperaturdifferenzen zwischen dem Reaktorkern
und den oberen Hilfswärmetauschern selbsttätig ein, so daß die oberen Hilfsgebläse
entbehrlich sind. Der Konvektionsstrom
kann je nach Anordnung
der oberen Hilfswärmetauscher und Gestaltung der Strömungspfade einen Wert von etwa
3 bis 4 % des normalen Gasdurchsatzes erreichen. Damit kann nach relativ kurzer
Zeit (wenigen Minuten) ein Gleichgewicht zwischen Wärmeproduktion und Wärmeabfuhr
aus dem Kern erreicht werden, so daß die maximalen Brennelementtemperaturen im Reaktorkern
nicht wesentlich ansteigen. Aufgrund der Strömungsumkehr steigt die Temperatur des
Gases im oberen Kernbereich von anfänglich etwa 400 OC innerhalb von einer Stunde
auf etwa 800 OC bis 1000 0C, während im unteren Kernbereich die Gastemperatur kontinuierlich
von ihrem Maximalwert absinkt und nach einer Stunde bereits unter 400 OC liegt.
Nach längerer Zeit (einigen Stunden) beginnen auch die Temperaturen des aus dem
Kern austretenden Gases zu sinken. Mit der Herabsetzung der Gastemperatur im Reaktorkern
erfolgt gleichzeitig eine Reduzierung des Kühlgasstromes.
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Das erfindungsgemäße Kernkraftwerk zeichnet sich durch eine Reihe
von Vorteilen aus. So haben die Gebläse, ob es sich nun um Hilfs- oder Hauptgebläse
handelt, keine sicherheitstechnische Bedeutung für die Abfuhr der Nachwärme aus
einem unter Druck stehenden Reaktor, da dem Kernkraftwerk eine sichere Nachwärmeabfuhr
inhärent ist. Die Hilfsgebläse könnten über dies eingespart und die Zuverlässigkeitsanforderungen
und Redundanzen für die Nachwärmeabfuhr reduziert werden. Der Kaltgas führende Teil
des Reaktors (Reaktorkaverne) wird nicht von heißem Gas durchströmt. Die oberen
Hilfswärmetauscher und Hilfsgebläse werden zunächst ebenfalls nicht mit heißem Gas
beaufschlagt, da der obere Teil der Brennelementschüttung einen rekuperativen Effekt
besitzt; d.h. er reduziert anfangs die Temperatur des aufsteigenden Gases auf die
Temperatur der oberen Brennelementreihen, also etwa auf Kaltgastemperatur. Damit
werden Temperaturschocks an diesen Komponenten vermieden.
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Bei dem oben beschriebenen Ausfall der Hilfsgebläse stellt sich parallel
zu dem Hauptkühlgasstrom durch die Hilfswärmetauscher ein Bypaß-Strom durch die
Hauptwärmetauscher und die Hauptgebläse ein. Dieser Bypaß-Strom ergibt sich aufgrund
der unterschiedlichen Temperaturen in den Hauptwärmetauschern und Hilfswärmetauschern
unmittelbar nach der Abschaltung des Kernreaktors.
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Hierbei wird davon ausgegangen, daß zu diesem Zeitpunkt die Hauptwärmetauscher
nicht mehr mit Kühlwasser gespeist werden, so daß ihre mittlere Temperatur von etwa
350 bis 400 "C erhalten bleibt, während die Hilfswärmetauscher im Warmwasserbetrieb
mit etwa 80 bis 90 OC betrieben werden. Diese Temperaturdifferenzen bewirkt einen
Auftrieb in den Hauptwärmetauschern, so daß sich ein Gasstrom mit Temperaturen von
350 bis 400 OC durch die Hauptwärmetauscher einstellt. Dieser Bypaß-Strom fließt
über die Hauptgebläse und die Kaltgaskanäle in den Kaltgas führenden Teil des Reaktors
und von dort durch einen Ringspalt zwischen dem Seitenreflektor und dem thermischen
Seitenschild in den Raum oberhalb des Reaktorkerns, wo er sich mit dem aus der Brennelementschüttung
aufsteigenden Heißgasstrom vermischt. Gemeinsam mit diesem wird er sodann den oberen
Hilfswärmetauschern zugeleitet.
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Die Größe des Bypaß-Stromes durch die Hauptwärmetauscher kann durch
Verstellen von in den Hauptgebläsen vorgesehenen Regelorganen erfolgen. Durch den
Bypaß-Strom wird eine allmähliche Abkühlung der Hauptwärmetauscher erreicht, wodurch
der Bypaß-Strom im Laufe der Zeit geringer wird. Berechnungen haben ergeben, daß
die Auskühlung der Hauptwärmetauscher mehrere Stunden beträgt; d.h. bis zu dem Zeitpunkt,
an dem die Kerntemperaturen bis auf etwa 300 bis 400 OC abgesunken sind, reicht
die Auftriebswirkung aus, um den Kaltgasbereich ausreichend zu schützen.
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Zur langfristigen Wärmeabfuhr können die unteren Hilfsgebläse (nach
Behebung der Störung) wieder in Betrieb genommen werden, wobei sich der Kühlgasumlauf
wieder in normale Strömungsrichtung einstellt.
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In jedem Hilfskreislauf können zwei Absperrorgane vorgesehen sein,
die jeweils an den Hilfsgebläsen angebracht sind. Dadurch kann auf aktive Absperreinrichtungen
in den Gaskanälen verzichtet werden. Mit den Absperrorganen an den oberen Hilfsgebläsen
werden bei Normalbetrieb die zusätzlichen, absperrbaren Gaskanäle abgesperrt. Der
Zugang zu diesen Gaskanälen wird nur dann freigegeben, wenn im Notkühlfall die Nachwärme
durch Naturkonvektion abgeführt werden soll. Bei Eintritt dieses Falles werden die
Absperrorgane an den unteren Hilfsgebläsen geschlossen; diese sind nur geöffnet
bei Nachwärmeabfuhr mit Zwangsumlauf des Kühlgases über die Hilfswärmetauscher,
d.h. sie sind bei Normalbetrieb ebenfalls geschlossen.
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Als Absperrorgane kommen selbsttätige Absperrklappen in Betracht,
die im Normalbetrieb aufgrund der vorhandenen Druckdifferenzen geschlossen sind
und bei Auslaufen der Hauptgebläse federbetätigt öffnen.
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Es können aber auch Absperrorgane verwendet werden, die von außen
gesteuert werden. Gegebenenfalls können diese auch ausfallsicher (fail-safe) ausgeführt
sein.
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Während des Normalbetriebs stellen die Absperrorgane einen hinreichend
kleinen Rückstrom des Kühlgases über die Hilfswärmetauscher und- die Anschlußstellen
an den Reaktorkern in den Kern sicher.
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Um bei längerem Notkühlbetrieb mit Naturkonvektion eine Beschädigung
der oberen Hilfsgebläse durch Heißgas zu vermeiden, kann für die Absperrorgane an
diesen Gebläsen eine Drei-Wege-
Schaltung vorgesehen sein. Diese
ist so gestaltet, daß das aus den absperrbaren Gaskanälen austretende heiße Kühl
gas unter Umgehung der Hilfsgebläse den oberen Hilfswärmetauschern direkt zugeleitet
wird.
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Für die Anordnung der absperrbaren Gaskanäle, die vorzugsweise horizontal
ausgeführt sind, bieten sich zwei Möglichkeiten an.
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Sie können an den Raum oberhalb des Deckenreflektors, den Kaltgassammelraum,
angeschlossen sein, oder sie können sich an den Seitenreflektor anschließen, und
zwar in seinem oberhalb des Kugelhaufens befindlichen Bereich. In letzterem Fall
stehen sie durch in dem Seitenreflektor vorgesehene Gasdurchtrittsstellen mit dem
Raum zwischen Deckenreflektor und Kugelhaufenoberfläche in Verbindung. An jede Gasdurchtrittsstelle
ist vorteilhafterweise ein absperrbarer Gaskanal angeschlossen.
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Die zweite Variante bietet den Vorteil, daß bei Notkühlbetrieb mit
Naturkonvektion nicht nur die Reaktorkaverne, sondern auch der Deckenreflektor vor
heißem Gas geschützt ist. Kaltgassammelraum und-Deckenreflektor brauchen also nicht
für höhere Temperaturen ausgelegt zu werden. Aufgrund der sich in dem Reaktorkern
einstellenden freien Konvektion strömt das Kühlgas nach oben und gelangt durch die
Gasdurchtrittsstellen in dem Seitenreflektor in die geöffneten Gaskanäle. In diesen
wird es zu den oberen Hilfswärmetauschern geführt und abgekühlt. Der übrige Strömungsverlauf
gleicht dem der ersten Variante - das Gas gelangt durch die an den Heißgasbereich
des Reaktors anschließenden Gaskanäle und den Bodenreflektor zurück in den Reaktorkern.
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Der Bypaß-Strom durch die Hauptwärmetauscher und die Hauptgebläse
wird bei der zweiten Variante in der gleichen Weise wie bei der ersten Variante
in den Ring spalt zwischen thermischem Seitenschild und Seitenreflektor geleitet;
von dort an ergibt sich dann ein Unterschied im Strömungsverlauf. Während bei der
ersten
Variante der Bypaß-Strom sich bereits in dem Raum oberhalb des Deckenreflektors,
also in dem Kaltgassammelraum, mit dem aus dem Kugelhaufen aufsteigenden Heißgasstrom
mischt, tritt bei der zweiten Variante der Bypaß-Strom durch den Dekkenreflektor
hindurch und vermischt sich erst in dem Raum zwischen Kugelhaufenoberfläche und
Deckenreflektor mit dem Heißgasstrom. Der Deckenreflektor wird also - wie bei Normalbetrieb
- von Kaltgas durchströmt.
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Der absperrbare Gaskanal jedes Hilfskreislaufs kann so ausgestaltet
sein, daß er zusammen mit dem zweiten, an den Kaltgas führenden Teil des Reaktors
angeschlossenen Gaskanal eine koaxiale Gasführung bildet, wobei er innerhalb dieses
Gaskanals angeordnet ist.
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Der Anwendungsbereich der beschriebenen Nachwärmeabfuhr-Einrichtungen,
die die Naturkonvektion des erhitzten Kühlgases ausnutzen, läßt sich noch dadurch
erweitern, daß die bei Naturkonvektion mit Heißgas beaufschlagten Komponenten des
Reaktors auf erhöhte Temperaturen ausgelegt sind. Je nach der Höhe der Auslegungstemperaturen
kann die Abführung der Nachwärme durch Naturkonvektion für einen Basisstörfall oder
einen Auslegungsfall herangezogen werden oder lediglich zur Abdeckung des Restrisikos
dienen.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des Kernkraftwerks
gemäß der Erfindung schematisch dargestellt. Die Figuren zeigen im einzelnen: Figur
1 ein erstes Ausführungsbeispiel im Vertikalschnitt durch das Kernkraftwerk nach
der Linie I-I der Figur 2,
Figur 2 einen Horizontalschnitt durch
einen Teil des Kernkraftwerks nach der Linie 11-11 der Figur 1 in vereinfachter
Darstellung, Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel, ebenfalls im Vertikalschnitt
entsprechend der Linie I-I der Figur 2.
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Die Figuren 1 und 2 lassen einen Spannbetondruckbehälter 1 in zylindrischer
Ausführung erkennen, der eine Kaverne 2 zur Aufnahme eines Hochtemperaturreaktors
3 aufweist. Dieser ist als graphitmoderierter, heliumgekühlter Reaktor mit kugelförmigen
Brennelementen ausgeführt, die in einer Schüttung 4 vorliegen.
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Die Brennelemente werden von oben zugegeben (nicht dargestellt) und
durch Kugelabzugsrohre 5 aus der Schüttung 4 abgezogen. Unterhalb des Reaktorkerns
befindet sich ein Heißgassammelraum 6 für das aus dem Kern austretende heiße Helium,
das den Kern von oben nach unten durchströmt. Über dem Kern ist ein Kaltgassammelraum
7 vorgesehen, der das abgekühlte Helium aufnimmt, bevor es wieder dem Kern zugeleitet
wird.
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Die Brennelementschüttung 4 ist allseitig von einem Deckenreflektor
8, einem Bodenreflektor 9 und einem zylindrischen Seitenreflektor 10 umgeben. Der
Seitenreflektor 10 ist mit Abstand von einem thermischen Seitenschild 11 umschlossen.
Zwischen dem thermischen Seitenschild 11 und dem Seitenreflektor 10 befindet sich
ein Ringspalt 12. Ein weiterer Ringraum 13 ist zwischen der Wand der Kaverne 2 und
dem thermischen Seitenschild 11 vorgesehen. Der Bodenreflektor 9 stützt sich (über
mehrere Bodenlagen) auf einem thermischen Bodenschild 14 ab, der auf in dem Spannbetondruckbehälter
1 verankerten Stützsäule 15 ruht. Dekkenreflektor 8 und Bodenreflektor 9 besitzen
Durchgänge für das Kühlgas, dessen Strömungsrichtung bei Normalbetrieb durch die
ausgezogenen Pfeile angedeutet ist.
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Die Reaktorkaverne 2 ist'exzentrisch in dem Spannbetondruckbehälter
1 angeordnet. Innerhalb des Spannbetondruckbehälters 1 sind auch die weiteren Komponenten
des Heliumkreislaufs untergebracht, und zwar in vertikalen Schächten 16, die neben
der Reaktorkaverne 2 vorgesehen sind. Der Heliumkreislauf umfaßt vier Hauptkreisläufe
mit je einem Hauptwärmetauscher (Dampferzeuger) 17 und einem Hauptgebläse 18, die
jeweils untereinander - das Gebläse über dem Wärmetauscher - in einem der vertikalen
Schächte 16 installiert sind, sowie mit je einem horizontalen Heißgaskanal 19 und
einem horizontalen Kaltgaskanal 20. Die Heißgaskanäle 19 verbinden die Hauptwärmetauscher
17 mit dem Heißgassammelraum 6; die Kaltgaskanäle 20 stellen die Verbindung zwischen
den Hauptgebläsen 18 und dem Kaltgasbereich des Reaktors 3 her.
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Zum Abführen der Nachwärme im Störfall sind zwei Hilfskreisläufe vorgesehen,
deren Komponenten jeweils in einem vertikalen Schacht 21 untergebracht sind. Jeder
Hilfskreislauf umfaßt zwei Hilfswärmetauscher 22 mit je einem Hilfsgebläse 23 und
je einem Absperrorgan 24 sowie drei Gaskanäle, die weiter unten näher beschrieben
werden. In jedem Hilfskreislauf sind die beiden Hilfswärmetauscher 22 in dem betreffenden
Schacht 21 übereinander angeordnet und durch eine vertikale Gasführung 25 miteinander
verbunden. Die oberen Hilfswärmetauscher 22 a liegen dabei auf einem höheren Niveau
als der Reaktorkern, während sich die unteren Hilfswärmetauscher 22 b in einer Höhe
unterhalb der Kugelschüttung 4 befinden.
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Die beiden Hilfsgebläse 23 jedes Hilfskreislaufs sind oberhalb des
oberen Hilfswärmetauschers 22 a bzw. unterhalb des unteren Hilfswärmetauschers 22
b angeordnet. Die beiden Absperrorgane 24 jedes Hilfskreislaufs sind jeweils an
einem der beiden Hilfsgebläse 23 angebracht. Bei Normalbetrieb des Hochtemperaturreaktors
3 sind alle Absperrorgane 24 geschlossen.
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Ein erster Gaskanal 26, im folgenden als Heißgaskanal bezeichnet,
verbindet die vertikal«« Gasführung 25 jedes Hilfskreislaufs mit dem Heißgassammelraum
6. Ein zweiter, horizontal verlaufender Gaskanal 27, im folgenden als Kaltgaskanal
bezeichnet, ist an den Kaltgas führenden Teil des Reaktors 3 angeschlossen, nämlich
an den Ringraum 13, der über den Ringspalt 12 mit dem Kaltgassammelraum 7 in Verbindung
steht. Mit seinem anderen Ende ist jeder Kaltgaskanal 27 an den betreffenden Schacht
21 angeschlossen. Die Anschlußstelle liegt etwa in der Mitte zwischen dem oberen
und dem unteren Hilfswärmetauscher 22 (auf der gleichen Höhe liegen auch die Raltgaskanäle
20 der Hauptkreisläufe).
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Ein dritter, teils horizontal, teils vertikal verlaufender Gaskanal
28 verbindet das obere Ende jedes oben angeordneten Hilfswärmetauschers 22 a direkt
mit dem oberhalb des Deckenreflektors 8 befindlichen Kaltgassammelraum 7. Das vertikale
Teilstück jedes Gaskanals 28 ist in dem zugehörigen vertikalen Schacht 21 verlegt.
Alle Gaskanäle 28 können mittels des jeweiligen, an dem oberen Hilfsgebläse 23 vorgesehenen
Absperrorgans 24 abgesperrt werden. Bei Normalbetrieb des Reaktors 3 wie auch bei
Nachwärmeabfuhrbetrieb mit Zwangsförderung des Kühlgases mittels der Hilfsgebläse
23 sind die Gaskanäle 28 abgesperrt.
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Im folgenden wird der Kreislauf des Heliums durch das erfindungsgemäße
Kernkraftwerk bei Normalbetrieb beschrieben, und zwar anhand des einen in der Figur
1 gezeigten Hauptkreislaufs.
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Das von oben durch den Deckenreflektor 8 eintretende kalte Helium
strömt nach unten durch die Kugelschüttung 4 und verläßt den Reaktorkern durch den
Bodenreflektor 9. Aus dem Heißgassammelraum 6 tritt das nunmehr erhitzte Helium
in den Heißgaskanal 19 ein und wird zu dem Hauptwärmetauscher 17 geleitet, den es
von
unten nach oben durchströmt. Nach Verdichtung in dem Hauptgebläse 18 gelangt das
abgekühlte Helium über den Kaltgaskanal 20 in den Kaltgasbereich des Reaktors 3.
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Zunächst tritt das Gas in den Ringraum 13 ein. Ein Teil des Kaltgases
(ca. 60 %) gelangt durch die Montage- und Dehnspalte des thermischen Seitenschildes
11 in den Ringspalt 12. Ungefähr die Hälfte des restlichen Kaltgases strömt an den
Anschlüssen der vier Heißgaskanäle 19 und der zwei Heißgaskanäle 26 entlang in den
Ringspalt 12; die andere Hälfte wird über Gasleitbleche (nicht dargestellt) unter
den thermischen Bodenschild 14 geführt und tritt ebenfalls in den Ringspalt 12 ein.
In dem Ringspalt 12 wird das gesamte Kaltgas in den Kaltgassammelraum 7 geleitet
und gelangt durch den Deckenreflektor 8 wieder in den Reaktorkern. Durch die Hilfswärmetauscher
22 b und 22 a und die Absperrorgane 24 ist nur ein sehr geringer Bypaß-Strom zu
dem Reaktorkern möglich.
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Im Notkühlfall bei Funktionieren der Hilfsgebläse 23 durchströmt das
Helium den Reaktorkern in der gleichen Richtung und wird durch den Heißgaskanal
26 aus dem Heißgassammelraum 6 zu der vertikalen Gasführung 25 geleitet, in der
es sich in zwei Teilströme aufteilt. Der eine Teilstrom tritt in den unteren Hilfswärmetauscher
22 b ein, gelangt nach seiner Verdichtung in dem unteren Hilfsgebläse 23 in den
vertikalen Schacht 21 und strömt durch den Kaltgaskanal 27 in den Ringraum 13. Der
andere Teil des heißen Heliums strömt nach oben, wird in dem oberen Hilfswärmetauscher
22 a abgekühlt, in dem oberen Hilfsgebläse 23 verdichtet und gelangt ebenfalls in
den vertikalen Schacht 21, aus dem er in den Kaltgaskanal 27 eintritt (der Gaskanal
28 ist abgesperrt). Die Rückführung des kalten Heliums aus dem Ringraum 13 in den
Reaktorkern erfolgt in der gleichen Weise wie bei Normalbetrieb. Dieser Kreislauf
ist durch weiße Pfeile angedeutet.
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Die Abführung der Nachwärme bei Ausfall der Hilfsgebläse 23 erfolgt
durch freie Konvektion; d.h. es findet in der Kugelschi:ttung 4 eine Strömungsumkehr
des Kühlgases statt, die zur Nachwärmeabfuhr ausgenutzt wird. Der Strömungsverlauf
des Kühlgases in diesem Fall ist anhand eines Hilfskreislaufs durch gestrichelte
Pfeile dargestellt.
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Der vorher mittels des oberen Absperrorgans 24 abgesperrte Gaskanal
28 ist geöffnet; das untere Absperrorgan 24 hingegen ist geschlossen. Das aus der
Kugelschüttung 4 aufsteigende heiße Gas strömt durch den Deckenreflektor 8 in den
Kaltgassammelraum 7 und tritt dann in den Gaskanal 28 ein. Durch diesen gelangt
es zu dem oberen Hilfswärmetauscher 22 a, den es von oben nach unten durchströmt.
Darauf wird das abgekühlte Helium durch die vertikale Gasführung 25 und den Heißgaskanal
26 in den Heißgassammelraum 6 zurückgeführt und durchsetzt die Kugelschüttung 4
von neuem. Dieser Kühlgasstrom stellt sich aufgrund der zwischen der Kugelschüttung
4 und dem Hilfswärmetauscher 22 a vorhandenen Temperaturdifferenzen selbsttätig
ein.
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Parallel zu diesem Hauptkühlgasstrom ergibt sich ein Bypaß-Strom durch
den Hauptwärmetauscher 17 und das Hauptgebläse 18, der sich aufgrund der unterschiedlichen
Temperaturen in dem Ha-lptwärmetauscher 17 und dem Hilfswärmetauscher 22 a unmittelbar
nach der Abschaltung des Kernreaktors 3 herausbildet.
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Der Bypaß-Strom fließt über das Hauptgebläse 18 und den Kaltgaskanal
20 in den Kaltgassammelraum 7 oberhalb des Deckenreflektors 8 und mischt sich mit
dem aus der Kugelschüttung 4 aufsteigenden Heißgas. Der Kaltgasbereich ist also
vor einer thermischen Überbeanspruchung geschützt. Der gesamte Gasstrom tritt sodann
wieder in den Gaskanal 28 ein.
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Die Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erz in dungsgemäßen
Kernkraftwerks. Gleiche Bauteile sind dabei mit denselben Bezugsziffern bezeichnet
wie in der Figur 1.
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Dieses Kernkraftwerk unterscheidet sich von der in der Figur 1 dargestellten
Anlage in der Anordnung der zusätzlichen Gaskanäle 28, die die oberen Hilfswärmetauscher
22 a mit dem Kaltgasbereich des Kernreaktors 3 verbinden, sowie der Kaltgaskanäle
20 bzw. 27 für die Hauptkreisläufe bzw. Hilfskreisläufe.
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Die Kaltgaskanäle 20 und 27 liegen auf einer solchen Höhe, daß sie
oberhalb der Kugelschüttung 4, aber unterhalb des Deckenreflektors 8 in die Reaktorkaverne
2 eintreten. Der Raum zwischen der Oberfläche der Kugelschüttung 4 und dem Deckenreflektor
8 ist mit der Bezugsziffer 29 bezeichnet. Die Kaltgaskanäle 20 und 27 münden in
den Ring raum 13 zwischen der Kavernenwand und dem thermischen Seitenschild 11,
wie auch im ersten Ausführungsbeispiel. Die Kaltgaskanäle 27 der Hilfskreisläufe
bilden hier jedoch mit den zusätzlichen Gaskanälen 28 jeweils eine koaxiale Gasführung,
wobei die Gaskanäle 28 von den Kaltgaskanälen 27 umschlossen sind, also jeweils
den inneren Leitungsteil der koaxialen Gasführung bilden. Diese inneren Leitungsteile
sind durch den thermischen Seitenschild 11 hindurchgeführt und an den Seitenreflektor
10 angeschlossen. An jeder dieser Anschlußstellen weist der Seitenreflektor 10 eine
Gasdurchtrittsstelle 30 auf, durch welche der angeschlossene Gaskanal 28 mit dem
Raum 29 oberhalb der Kugelschüttung 4 in Verbindung steht.
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Zur Nachwärmeabfuhr durch freie Konvektion des Kühlgases werden die
oberen Absperrorgane 24, die bei Normalbetrieb oder Nachwärmeabfuhr mit Zwangsförderung
des Kühlgases die Gaskanäle 28 absperren, geöffnet, und das aus der Kugelschüttung
4 aufsteigende heiße Kühlgas strömt durch die Gasdurchtrittsstellen 30 in die Gaskanäle
28. Darauf gelangt es in die oberen Hilfswärmetauscher
22 a, wird
abgekühlt und strömt auf dem gleichen Wege, wie bei Figur 1 beschrieben, in den
Reaktorkern zurück.
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Das Heißgas tritt bei dem zweiten Ausführungsbeispiel also nicht durch
den Deckenreflektor 8, der somit vor thermischer Überbeanspruchung geschützt ist.
Der Schutz des Deckenreflektors 8 vor unzulässsiger thermischer Belastung wird noch
durch die über die Hauptwärmetauscher 17 und Hauptgebläse 18 fließenden Bypaß-Ströme
verstärkt, die - wie bereits bei Figur 1 beschrieben - in den Kaltgassammelraum
7 oberhalb des Dekkenreflektors 8 eintreten. Sie durchströmen den Deckenreflektor
8 in normaler Richtung, also von oben nach unten, und mischen sich in dem Raum 29
mit dem aus der Kugelschüttung 4 aufsteigenden Heißgas. Der gesamte Gasstrom tritt
dann durch die Gasdurchtrittsstellen 30 aus dem Reaktorkern aus.
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