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In einem Reaktorschutzgebäude angeordnete
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Kernreaktoranl age ie Erfindung betrifft eine in einem Reaktorschutzgebäude
aneordnete Kernreaktoranlage mit mindestens einem in einem Re-.ktordruckbehälter
untergebrachten gasgekühlten Hochtemperaurreaktor mit kugelförmigen Brennelementen
sowie im Kühlgasreis lauf angeordneten Wärmetauschern.
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3ekanntlich zeichnet sich der Typ des Hochtemperaturreaktors lurch
eine besonders hohe Betriebssicherheit aus, da seine Wärneentwicklung im Kern zurückgeht
bzw. aufhört, wenn die ausle-Bungsgemäße Betriebstemperatur desselben überschritten
wird (negativer Temperaturkoeffizient).
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Eine weitere, wesentliche Sicherheitseigenschaft ist dadurch gegeben,
daß die Brennstoffpartikelchen (Uran, Thorium) je von einer zwei- oder dreifachen
keramischen Schutzhülle umgeben sind und eine nennenswerte Freisetzung von radioaktiven
Spaltprodukten erst beginnt, wenn die Temperatur dieser Brennstoffpartikelchen den
Wert von 2500 OK überschreitet. (Die normale Betriebstemperatur des Kerns beträgt
maximal 1300 - 1400 OK).
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Vorteilhaft ist es auch, daß die große Graphitfüllung des Kerns bei
Betriebsstörungen nur langsame Schwankungen der Kerntemperaturen zuläßt und dadurch
ausreichend Zeit für die Einleitung von Maßnahmen zur Beseitigung der Störfallursachen
bleibt.
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Stand der Technik sind Anlagen, bei denen ein Hochtemperaturreaktor
zur nuklearen Erzeugung von Wärme und die Apparate, die der Nutzung der gewonnenen
Wärme dienen, gemeinsam in einem Druckbehälter installiert sind. Die Abführung der
Wärme erfolgt hierbei durch ein Kühlgas, das mit Hilfe von Gebläsen in einem geschlossenen
Kreislauf (Primärkreislauf) durch den Reaktorkern und die wärmetauschenden Apparate
umgewälzt wird. Zur Abfuhr der Nachwärme, die sich auch nach Abschaltung des Kerns
über einen Zeitraum von einigen Wochen entwickelt, können besondere Einrichtungen
wie Hilfswärmetauscher und Hilfsgebläse vorgesehen sein; es ist jedoch auch möglich,
durch besondere Anordnung und Auslegung der Primärkreislaufkomponenten auf derartige
Einrichtungen zu verzichten.
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So sind beispielsweise bei dem in einem vorgespannten Betondruckbehälter
untergebrachten Thorium-Hochtemperaturreaktor (THTR-300) die Wärmetauscher und Gebläse
sowie die sekundärseitigen Stränge und die Komponenten derselben derart ausgebildet,
daß die gesamte Nachwärme über die primärseitigen Betriebssysteme der Wärmetauscher
abgeführt wird. Der Strömungsverlauf des Kühlgases von oben nach unten durch den
Reaktorkern und von unten nach oben durch die Wärmetauscher gleicht in diesem Falle
dem Strömungsverlauf im Normalbetrieb. Zur gesicherten Nachwärmeabfuhr müssen jedoch
die Gebläse jederzeit funktionsbereit sein, um den Kaltgasbereich nicht durch in
freier Konvektion aufsteigendes Heißgas zu gefährden. D.h, es ist der Einsatz aktiver
Aggregate, nämlich elektrisch gespeister Gebläse, erforderlich, um die Nachwärmeabfuhr
sicherzustellen. In extremen
.örfallsituationen ist jedoch auch
ein Ausfall der Notstromver-,rgung denkbar.
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ti einer weiteren Kernreaktoranlage mit einem gasgekühlten xchtemperaturreaktor,
der AVR-Anlage, ist der Wärmetauscher imerhalb des Kernreaktors angeordnet, und
das Kühlgas strömt >n unten nach oben sowohl durch den Reaktorkern als auch durch
n Wärmetauscher. Bei Ausfall der unterhalb des Kerns befindchen Gebläse wird die
Nachwärme durch Naturkonvektion an die >n Reaktorkern umgebenden Einbauten abgeführt.
Diese umfassen Xben einem Reflektormantel aus Graphit einen den Graphitmantel nschließenden
Kohlesteinmantel, der zur Abschirmung und Wärmeisolierung dient. Zum sicheren Einschluß
von freigesetzten ?altprodukten sind die genannten Einbauten von einem doppelten
isdichten Stahldruckbehälter umgeben. Bei einer solchen Anlage it stählernen Reaktordruckbehältern
besteht der Nachteil, daß ie Berstgefahr dieser Behälter nicht eliminiert ist und
nicht lle Möglichkeiten des Erdbebenschutzes ausgeschöpft sind.
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usgehend von diesem Stand der Technik, liegt der Erfindung die ufgabe
zungrunde, die eingangs beschriebene Kernreaktoranlage o auszubilden, daß sie bei
einfacher Bauweise über eine besoners hohe Sicherheit verfügt; insbesondere soll
die Nachwärme hne aktive Einrichtungen wie elektrisch betriebene Pumpen oder ebläse
sicher abgeführt werden.
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gemäß der Erfindung ist die Lösung dieser Aufgabe dadurch geaennzeichnet,
daß in jedem Reaktordruckbehälter mindestens ein [auptwärmetauscher (Dampferzeuger,
Röhrenspaltofen, Helium-He-.ium-Wärmetauscher) angeordnet ist und ein oder mehrere
interne achwärmetauscher vorgesehen sind und daß jeder interne Nachrärmetauscher
über kühlwasserseitige oder kühlgasseitige Verzindungsleitungen mit wenigstens einem
geodätisch höher angeordneten
externen Nachwärmetauscher zu einem
Thermosyphon-Kühlkreislauf zusammengeschaltet ist.
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In einer ersten Ausführungsform kann die erfindungsgemäße Kernreaktoranlage
mindestens einen Hochtemperaturreaktor enthalten, der jeweils in einem stählernen
Reaktordruckbehälter untergebracht ist, und jedem Hochtemperaturreaktor können ein
Hauptwärmetauscher sowie ein oder mehrere interne Nachwärmetauscher zugeordnet sein,
wobei alle Wärmetauscher oberhalb des Hochtemperaturreaktors angeordnet sind.
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In einer zweiten Ausführungsform kann die erfindungsgemäße Kernreaktoranlage
einen in einem Spannbetondruckbehälter installierten Hochtemperaturreaktor enthalten,
dem mehrere Hauptwärmetauscher und mehrere interne Nachwärmetauscher zugeordnet
sind, wobei alle Wärmetauscher um den Hochtemperaturreaktor herum und die internen
Nachwärmetauscher zwischen den Hauptwärmetauschern angeordnet sind.
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Vorteilhafterweise sind die externen Nachwärmetauscher in die vertikale
Wandung des Reaktorschutzgebäudes integriert, können aber auch außen an dieser Wandung
angeordnet und durch äußere Beton- oder Stahlwände gegen Einwirkungen von außen
(z.B. Flugzeugabsturz oder Gaswolkenexplosion) geschützt sein.
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Um auch die Zuführung der äußeren Kühlluft zu den externen Nachwärmetauschern
durch Thermosyphonwirkung zu erreichen - und damit im Notfall von einem Kühlluftgebläse
unabhängig zu sein -, ist jeder externe Nachwärmetauscher in einem Schacht angeordnet,
der - wenigstens teilweise - durch die Wandung des Reaktorschutzgebäudes gebildet
ist.
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im Nachwärmeabfuhrbetrieb eine Aufwärmung des Betons zu veradern,
sind die Innenflächen der Schächte thermisch isoliert.
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jedem Schacht kann auch ein Kühlluftgebläse angeordnet sein, s im
normalen Nachwärmeabfuhrbetrieb, bei dem die Notstromrsorgung intakt ist, die Kühl
luftzufuhr übernimmt.
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e unteren Bereiche der die externen Nachwärmetauscher enthalnden
Schächte können auch als Verdampfungskammern ausgebilt sein. Die Kühllufteintrittsöffnungen
befinden sich in dem eren Bereich der Verdampfungskammern. Zum Zwecke der Nachwärabfuhr
werden diese Verdampfungskammern mit Wasser aus einem geodätisch höher gelegenen
und innerhalb des Reaktorschutzgejedes angeordneten Kühlwasserbehälter gefüllt,
der durch Rohrbitungen mit den Kammern verbunden ist. Dieses Wasser verlmpft dann
bei 100 OC und führt dadurch die Nachwärme ab.
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3t der Wasserinhalt der Verdampfungskammern ausgedampft, so erfolgt
die weitere Nachwärmeabfuhr durch Außenluft, die die cternen Nachwärmetauscher und
die zugehörigen Schächte durchtrömt (Thermosyphonwirkung).
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sr Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die Oberfläzen der
externen Nachwärmetauscher kleiner gehalten werden können, weil in der ersten Phase
der Nachwärmeabfuhr (in der ie abzuführende Wärmemenge größer ist) die Wärmeabgabe
an verampfendes Wasser erfolgt. In der späteren zweiten Phase der achwärmeabfuhr
(in der die abzuführende Wärmemenge wesentlich leiner ist) kann die Wärmeabgabe
an die Außenluft erfolgen.
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ei einer Hochtemperaturreaktoranlage mit einem oder mehreren tählernen
Reaktordruckbehältern ist mindestens ein biologicher Schild zur Abschirmung des
oder der Stahldruckbehälter
vorgesehen, und als zweites, diversitäres
Nachwärmeabfuhrsystem sind ein oder mehrere sekundäre Nachwärmetauscher in diesem
biologischen Schild - und zwar in dessen oberer Hälfte -angeordnet.
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Diese sekundären Nachwärmetauscher können über Verbindungskanäle mit
der Außenluft außerhalb des Reaktorschutzgebäudes in Verbindung stehen.
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Vorteilhafterweise ist jeder stählerne Reaktordruckbehälter in einer
Kammer des biologischen Schildes untergebracht, die an ihren Innenflächen isoliert
ist, um eine Aufheizung des Betons des biologischen Schildes zu vermeiden.
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Während des Nachwärmeabfuhrbetriebes über dieses diversitäre System
wird die Nachwärme jedes Reaktorkerns über die nichtisolierten Wände seines stählernen
Druckbehälters und mehrere durch Thermosyphonwirkung zirkulierende Luftströme an
die sekundären Nachwärmetauscher und von diesen an die Außenluft oder an Kühlwasser
abgegeben. Dabei werden die sekundären Nachwärmetauscher ebenfalls durch Thermosyphonwirkung
von der Au-Außenluft durchströmt.
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Die Luftkanäle für die Zufuhr der äußeren Kühl luft zu den sekundären
Nachwärmetauschern sind vorteilhafterweise zum Teil im Fundament des Reaktorschutzgebäudes
integriert.
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Die Luftkanäle für die Abfuhr der äußeren Kühlluft von den sekundären
Nachwärmetauschern sind zum Teil in oder an der vertikalen Wandung des Reaktorschutzgebäudes
angeordnet.
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Diese Anordnung der Zuluft- und Abluftkanäle schützt dieselben vor
Einwirkungen von außen oder innen.
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tr Eliminierung der Berstgefahr bei Anlagen mit stählernen uckbehältern
ist jeder stählerne Reaktordruckbehälter durch :ahlseile oder Stahlanker in Längsrichtung
und Umfangsrichmg vorgespannt. Dabei kann jeder stählerne Reaktordruckbe-Llter an
seinen stirnseitigen Böden zwei stählerne Stirn-Latten tragen, die durch Vertikalanker
miteinander verspannt Lnd.
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Le Umfangsanker bzw. -seile an den zylindrischen Wänden bzw.
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l den Flanschen jedes stählernen Reaktordruckbehälters könsn über
je ein Spannschloß zu einem vorgespannten Ring verinden sein.
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lr Abminderung von Erdbebenwirkung kann jeder stählerne Reak-Drdruckbehälter
innerhalb des biologischen Schildes bzw. inoberhalb der biologischen Schilde pendelnd
aufgehängt sein.
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orteilhafterweise kann sich ein in dem Reaktorschutzgebäude orgesehener
Hauptbedienungskran - direkt oder über eine Zwichenlaufbahn - auf dem biologischen
Schild oder auf den bioogischen Schilden abstützen.
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n der Zeichnung sind zwei Ausführungsformen der erfindungsge-Maßen
Kernreaktoranlage beispielhaft und schematisch dargetell.
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:s zeigt: figur 1 - einen vertikalen Längsschnitt nach der Linie C-D
der Figur 2 durch eine Kernreaktoranlage mit vier stählernen Reaktordruckbehältern
(Modul-Anlage) als erster Ausführungsform,
Figur 2 - einen horizontalen
Querschnitt durch diese erste Ausführungsform nach der Linie A-B der Figur 1, Figur
3 - in vergrößerter Darstellung einen vertikalen Längsschnitt durch einen vorgespannten
stählernen Reaktordruckbehälter nach der Linie E-F der Figur 4, Figur 4 - einen
horizontalen Querschnitt durch den stählernen vorgespannten Reaktordruckbehälter
der Figur 3 nach der Linie G-H dieser Figur, Figur 5 - einen vertikalen Längsschnitt
durch eine Kernreaktoranlage mit einem Spannbetondruckbehälter als zweiter Ausführungsform.
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Bei der in Figur 1 und Figur 2 dargestellten ersten Ausführungsform
des Erfindungsgegenstandes sind vier vorgespannte stählers Reaktordruckbehälter
1 in vier Kammern 2 eines biologischen Schildes 3 angeordnet, der von einem Reaktorschutzgebäude
15 umgeben ist.
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Jeder stählerne Reaktordruckbehälter 1 enthält in seinem unteren Bereich
einen Hochtemperaturreaktor 4 mit einem Kern aus kugelförmigen Brennelementen, der
von einem Reflektor 5 und einem thermischen Schild 6 umgeben ist. Im oberen Bereich
jedes Reaktordruckbehälters 1 sind ein Hauptwärmetauscher 7 (Dampferzeuger oder
Röhrenspaltofen oder Helium-Helium-Wärmetauscher) mit Heliumhauptgebläse 7a und
zwei interne Nachwärmetauscher 8 mit zwei Heliumhilfsgebläsen 8a angeordnet.
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Jeder interne Nachwärmetauscher 8 ist über zwei kühlwasserseitige
oder kühlgasseitige Verbindungsleitungen 9 mit einem geoitisch
höher
gelegenen externen Nachwärmetauscher 10 zu einem ermosyphonkreislauf verbunden.
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l diesem Thermosyphonkreislauf können auch ein Ausdehnungsge-Yß 11
und Absperrarmaturen 12 sowie eine oder mehrere Umwälzlampen 13 (oder Kühlgasumwälzgebläse)
angeordnet sein (in der inken Hälfte von Figur 1 dargestellt; die rechte Hälfte
von igur 1 zeigt einen reinen Thermosyphon-Kühlkreislauf).
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eder externe Nachwärmetauscher 10 ist in einem Schacht 14 aneordnet,
dessen dicke Wände zum Teil aus der Wandung des Rektorschutzgebäudes 15 bestehen
und den externen Nachwärmetaucher 10 vor Einwirkungen von außen (Flugzeugabsturz
oder Gasolkenexplosion) schützen.
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damit sich im Nachwärmeabfuhrbetrieb der Beton nicht aufheizt, ind
die Innenflächen der Schächte 14 mit einer thermischen solierung 16 ausgekleidet.
Die Mündungen der Schächte sind Lurch Klappen 17 verschlossen.
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Im im Nachwärmeabfuhrbetrieb den Kühlluftdurchsatz durch die externen
Nachwärmetauscher 10 zu vergrößern, kann in jedem schacht 14 auch ein Kühlluftgebläse
18 angeordnet sein.
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)er Vorteil der jeweils aus internem Nachwärmetauscher 8, kühlqasserseitigen
bzw. kühlgasseitigen Verbindungsleitungen 9 und externe Nachwärmetauscher 10 bestehenden
Thermosyphon-Kühlkreisläufe besteht darin, daß sie auch bei Störung der Notstromversorgung
die in den Reaktorkernen erzeugte Nachwärme noch abzuführen in der Lage sind. Dabei
wird diese Nachwärme ebenfalls durch thermosyphone Zirkulation des in den Reaktordruckbehältern
1 befindlichen Heliums aus den Reaktorkernen in die darüber angeordneten internen
Nachwärmetauscher 8 transportiert.
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Sind die internen und externen Nachwärmetauscher 8 und 10 mit Wasser
gefüllt, und erfolgt der Nachwärmeabfuhrbetrieb unter Einsatz von Umwälzpumpen 13
und Kühlluftgebläsen 18, so kommt das Kühlwasser der Kühlkreisläufe nicht zur Verdampfung.
Bei reinem Thermosyphonbetrieb tritt im Kühlwasser eine Teilverdampfung auf, wodurch
der Thermosyphonumlauf verbessert wird.
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Interne und externe Nachwärmetauscher 8 und 10 können auch mit Kühlgas
von 40 - 60 bar Druck gefüllt sein.
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In der rechten Hälfte von Figur 1 ist eine alternative Lösung für
die Anordnung und Kühlung der externen Nachwärmetauscher 10 gezeigt.
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Der untere Bereich des Schachtes 14, der den externen Nachwärmetauscher
10 enthält, ist als Verdampfungskammer 14a ausgebildet. An dieser ist oben eine
Kühllufteintrittsöffnung 14b und eine Trennwand 14c angeordnet.
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Im Falle des Nachwärmeabfuhrbetriebes werden die Verdampfungskammern
14a von einem geodätisch höher und innerhalb des Reaktorschutzgebäudes 15 angeordneten
Kühlwasserbehälter 14d mit Wasser gefüllt. In der ersten Phase des Nachwärmeabfuhrbetriebes
(in der die abzuführende Nachwärmemenge groß ist) verdampft das in den Verdampfungskammern
14a befindliche Wasser. In der späteren zweiten Phase des Nachwärmeabfuhrbetriebes
(die länger dauert, in der die abzuführenden Nachwärmemenge aber wesentlich kleiner
ist) erfolgt die Abgabe der Nachwärme an die Außenluft, die dann die externen Nachwärmetauscher
10 und die zugehörigen Schächte 14 durchströmt.
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n die Sicherheit der Nachwärmeabfuhr weiter zu erhöhen, sind Ls diversitäre
Einrichtungen sekundäre Nachwärmetauscher 19 n oberen Bereich des biologischen Schildes
3 in Kavernen 20 angeordnet.
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iese sekundären Nachwärmetauscher 19 stehen einerseits über nterne
luftseitige Kanäle 21 mit den Kammern 2 der stählernn Reaktordruckbehälter 1 in
Verbindung. Andererseits stehen ie sekundären Nachwärmetauscher 19 über frischluftseitige
erbindungskanäle 22 und 23 mit der Außenluft außerhalb des eaktorschutzgebäudes
15 in Verbindung.
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erden diese diversitären Einrichtungen für die Nachwärmeabfuhr ingesetzt,
so gelangt die Nachwärme durch Thermosyphonwirkung ber die nichtisolierten Wände
der stählernen Reaktordruckbeälter 1 und die internen luftseitigen Kanäle 21 zunächst
zu en sekundären Nachwärmetauschern 19 und dann über deren Heizlächen in die ebenfalls
durch Thermosyphonwirkung strömende ußenluft.
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amit sich der Beton des biologischen Schildes 3 nicht aufheizt, ind
die Innenflächen der Kammern 2 (und der Luftkanäle 21 und 3) ebenfalls mit einer
thermischen Isolierung 16a ausgekleidet.
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lie aus Figur 2 ersichtlich, sind einem stählernen Reaktordruckbehälter
1 drei sekundäre Nachwärmetauscher 19 zugeordnet.
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zie Anordnung der sekundären Nachwärmetauscher 19 in Kavernen 20 ies
biologischen Schildes 3 schützt erstere vor Einwirkungen von Lnnen (z.B. vor den
Auswirkungen eines Bruches einer Heliumzder Dampf- oder Speisewasserleitung).
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Die Zuluftkanäle 22 der sekundären Nachwärmetauscher 19 sind zum Teil
im Fundament des Reaktorschutzgebäudes integriert.
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Die Abluftkanäle 23 der sekundären Nachwärmetauscher 19 sind zum Teil
in oder an der vertikalen Wandung des Reaktorschutzgebäudes 15 angeordnet.
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In extremen Störfallsituationen ist eine dritte Art der Nachwärmeabfuhr
dadurch möglich, daß im oberen und unteren Bereich des biologischen Schildes 3 (oder
in der Decke desselben) Klappen geöffnet werden. Es kommt dadurch zu einer Thermosyphon-Kühlluftströmung
innerhalb des Reaktorschutzgebäudes 15, welche die Nachwärme von den nichtisolierten
Wänden der Reaktordruckbehälter 1 abführt.
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Mit der vorbeschriebenen ersten Ausführungsform der Erfindung ist
eine Reaktorbäuweise offenbart, bei der durch die stets gegebene Nachwärmeabfuhr
und den dadurch verhinderten unzulässigen Anstieg der Temperaturen der Brennstoffpartikelchen
auch in extremen Störfällen die Freisetzung großer Mengen von Spaltstoffen mit Sicherheit
ausgeschlossen werden kann.
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Um die Sicherheit der stählernen Reaktordruckbehälter 1 gegen die
Auswirkungen von Erdbeben zu steigern, sind die Druckbehälter 1 an Zugankern 24
pendelnd aufgehängt. Die Verbindung zwischen den Wärmetauschern 7 und 8 der Reaktordruckbehälter
1 und deren äußeren Verbindungsleitungen hat dabei über elastische Rohrspinnen zu
erfolgen.
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Über dem biologischen Schild 3 ist ein Hauptbedienungskran 25 vorgesehen,
der auf einer Zwischenlaufbahn 26 fährt. Diese stützt sich auf dem biologischen
Schild 3 ab. (Für die Errichtung der Anlage ist vorübergehend ein Montagekran zu
verwenden,
!r erst bei Errichtung einer innerhalb des Reaktorschutzgebäus
15 befindlichen stählernen Reaktorschutzhülle 27 entfernt !rden muß).
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den Figuren 3 und 4 ist ein leerer vorgespannter stählerner h.aktordruckbehälter
1 vergrößert dargestellt.
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trägt an seinen Enden je eine stählerne Stirnplatte 28. Die iden
stählernen Stirnplatten 28 sind durch Vertikal anker 29 Stahlseile, Stahlanker)
miteinander verspannt.
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zerdies sind die zylindrischen Wände und die Flansche des stählernen
Reaktordruckbehälters 1 zusätzlich durch Umfangsanker 30 srspannt. Jeder Umfangsanker
30 wird durch ein Spannschloß 31 :id mittels hydraulischer Spannvorrichtung gespannt.
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l der gleichzeitige Riß mehrerer Anker 29, 30 ausgeschlossen erden
kann, ist die Berstsicherheit eines solchen stählernen eaktordruckbehälters 1 gewährleistet.
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ei der in Figur 5 im vertikalen Längsschnitt dargestellten weiten
Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes sind ein ochtemperaturreaktor 4', mehrere
Hauptwärmetauscher 7' (z.B.
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ampferzeuger) und interne Nachwärmetauscher 8' innerhalb ei-.es heliumdrucktragenden
Spannbetonbehälters 1' angeordnet.
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.uch hier ist jeder interne Nachwärmetauscher 8' über kühlwas-;erseitige
oder kühlgasseitige Verbindungsleitungen 9' mit wetigstens einem geodätisch höher
angeordneten externen Nachwärtetauscher 10' zu einem Thermosyphon-Kühlkreislauf
verbunden.
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Jeder externe Nachwärmetauscher 10' ist wieder geschützt in ei nem
Schacht 14' angeordnet, dessen dicke Betonwände zum Teil aus der Wandung des Reaktorschutzgebäudes
15' gebildet sind.
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In dem Schacht 14' kann auch ein Kühlluftgebläse 18' angeordnet sein.
Auch können. in den kühlwasserseitigen Verbindungsleitungen 9' gegebenenfalls eine
oder mehrere Umwälzpumpen 13' montiert sein. Ein Ausdehnungsgefäß 11' und Absperrarmaturen
12' können ebenfalls in jedem Thermosyphon-Kühlkreislauf vorgesehen sein.
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Die übrigen Details in Figur 5 stimmen mit den Details der Figur 1
überein, wenn die Bezugsziffern die gleichen sind.
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